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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Erregerwicklung für eine elektrische Maschine sowie die Erregerwicklung und die elektrische Maschine.
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Die Erweiterung des Antriebsstranges um elektrische Antriebskomponenten ermöglicht eine Senkung der CO2-Emissionen. Im Rahmen der fortschreitenden Elektrifizierung von Antriebssträngen in Kraftfahrzeugen werden Antriebsstrangkonzepte genutzt, die rein elektrisch arbeiten oder unterstützt von Verbrennungsmotoren die Leistungswandlung von der Batterie hin zum Rad realisieren (Hybridfahrzeuge). Die Erweiterung des Antriebsstranges um elektrische Antriebskomponenten erfordert jedoch insbesondere bei Hybridfahrzeugen zusätzlichen Bauraum und erhöht das Gewicht des Fahrzeugs.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Erregerwicklung bereitzustellen, das eine kostengünstige Herstellung der Erregerwicklung mit einem hohen Füllfaktor ermöglicht. Ferner ist die Aufgabe der Erfindung, eine Erregerwicklung und eine elektrische Maschine zu schaffen, die einen Beitrag leisten, eine Energieeffizienz der elektrischen Maschine zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem ersten Aspekt aus durch ein Verfahren zur Herstellung einer Erregerwicklung für eine elektrische Maschine. Hierbei werden eine Vielzahl von isolierten Einzelleitern, die jeweils eine vorgegebene Leiterquerschnittsfläche aufweisen und die die Erregerwicklung bilden, vorgegeben angeordnet und in einem vorgegebenen ersten Bereich derart umgeformt, dass die Erregerwicklung in dem vorgegebenen ersten Bereich eine vorgegebene Querschnittsfläche aufweist und alle oder zumindest ein großer Teil der Einzelleiter in dem ersten Bereich eine im Vergleich zu vor der Umformung geänderte Leiterquerschnittsfläche aufweisen, wobei die Querschnittsfläche der Erregerwicklung senkrecht zu einer resultierenden Längsrichtung der Einzelleiter verläuft.
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Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine kostengünstige Herstellung einer Erregerwicklung mit einem sehr hohen Füllfaktor, wodurch bei gleichbleibendem Bauraum eine Leistungsdichte der elektrischen Maschine erhöht wird. Als Füllfaktor bezeichnet man in der Spulenwickeltechnik das Verhältnis einer effektiven Querschnittsfläche der Einzelleiter zu einer theoretisch maximalen Querschnittsfläche eines verfügbaren Wickelfensters, zum Beispiel in einer elektrischen Maschine, in einem Transformator oder in einem Relais. Hierbei ist unter der Querschnittsfläche und der Leiterquerschnittsfläche jeweils eine zweidimensionale Teilmenge eines dreidimensionalen Raumes zu verstehen und nicht ein Flächeninhalt. Im Falle der jeweils geänderten Leiterquerschnittsfläche der Einzelleiter weist die Leiterquerschnittsfläche des Einzelleiters eine geänderte Form auf, wobei der Flächeninhalt gleich bleibt. Die Leiterquerschnittsfläche wird beispielsweise von kreisförmig in ellipsenförmig verändert. Die Einzelleiter behalten zumindest zu einem überwiegenden Teil jeweils ihre Isolation gegenüber den anderen Einzelleitern bei. Die Einzelleiter weisen in den meisten Fällen Kupfer auf oder bestehen aus Kupfer. Alternativ oder zusätzlich können die Einzelleiter Aluminium aufweisen. Ein verbesserter Füllfaktor hat den Vorteil, dass Wicklungsverluste sehr gering gehalten werden können. Als Wicklungsverluste bezeichnet man die bei Erregerwicklungen beziehungsweise Spulen in Transformatoren, Elektromotoren, Generatoren und Elektromagneten auftretenden Stromwärmeverluste. Die Verluste entstehen überwiegend durch ohmsche Widerstände der Einzelleiter der Erregerwicklung. Da der jeweilige Flächeninhalt der Leiterquerschnittsflächen der Einzelleiter gering gehalten werden kann, kann vorteilhafterweise eine Stromverdrängung, die insbesondere bei höheren Schaltfrequenzen auftritt, gering gehalten werden, wodurch ein zumindest näherungsweise gleichbleibender hoher Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erreicht werden kann. Aufgrund des geringen Flächeninhalts der jeweiligen Leiterquerschnittsflächen und der Verformung der Einzelleiter kann in dem ersten Bereich die Querschnittsfläche flexibel vorgegeben werden. Dies bedeutet, dass die Querschnittsfläche von einer rechteckförmigen oder trapezförmigen Fläche abweichen kann.
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Die Einzelleiter können zunächst miteinander verseilt werden oder in Form einer Spule gewickelt werden und anschließend dem Umformprozess zugeführt werden. Alternativ ist möglich, dass die Einzelleiter in einem losen gemeinsamen Verbund dem Umformprozess zugeführt werden. Eine Kraft, die erforderlich ist zur Umformung der Einzelleiter, ist unter anderem abhängig von einer Anzahl der Einzelleiter und/oder von einem Werkstoff der Einzelleiter und/oder von einem Durchmesser der Einzelleiter und/oder von einem gewünschten Füllfaktor. Hierbei wird die Vielzahl der isolierten Einzelleitern in dem vorgegebenen ersten Bereich vorzugsweise derart umgeformt, dass die Isolation von zumindest einem Großteil der Einzelleiter im Wesentlichen unbeschädigt oder unbeschädigt bleibt und somit die Einzelleiter im Wesentlichen jeweils ihre Isolation gegenüber den anderen Einzelleiter beibehalten. Hierbei kann zugelassen werden, dass ein vorgegebener Anteil der Einzelleiter nach der Umformung keine Isolation mehr oder eine beschädigte Isolation aufweist. Vorteilhaft ist jedoch, wenn dieser Anteil sehr gering ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die isolierten Einzelleiter vor der Umformung jeweils als Runddrahtleiter ausgebildet. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine einfache und kostengünstige Herstellung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt erfolgt die Umformung mittels Druckumformung. Vorzugsweise werden die Einzelleiter derart miteinander verpresst, dass sich die Leiterquerschnittsflächen der Einzelleiter während des Verpressens in dem ersten Bereich derart ändern, dass die Erregerwicklung in dem ersten Bereich die vorgegebene Querschnittsfläche aufweist. Durch die Druckumformung verändert sich nicht der Flächeninhalt der jeweiligen Leiterquerschnittsfläche. Die Umformung kann mittels Gesenkformen oder Rollformen erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist die Querschnittsfläche der Erregerwicklung in dem ersten Bereich durch eine Nutgeometrie eines Rotors und/oder eines Stators der elektrischen Maschine vorgegeben. Die Querschnittsfläche in dem ersten Bereich kann flexibel vorgegeben werden. Vorzugsweise wird die Querschnittsfläche der jeweiligen Nutgeometrie der elektrischen Maschine angepasst, so dass der zur Verfügung stehende Wickelraum in der elektrischen Maschine optimal ausgenutzt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird ein Klebemittel zwischen die Einzelleiter eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass eine Sicherstellung der Querschnittsfläche der Erregerwicklung in dem ersten Bereich einfacher möglich ist, da die Einzelleiter zusätzlich durch das Klebemittel zusammengehalten werden. Das Einbringen des Klebemittels kann im Vergleich zu einer Temperatur der Erregerwicklung thermisch neutral oder mit erhöhter Temperatur erfolgen.
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Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem zweiten Aspekt aus durch eine Erregerwicklung für eine elektrische Maschine, die gemäß einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt hergestellt ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts gelten hierbei auch für den zweiten Aspekt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist die Erregerwicklung als offene Spule oder als geschlossene Spule ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Erregerwicklung einer jeweiligen Anwendung, zum Beispiel einer Ausgestaltung des Stators und/oder eines Rotors und/oder eines Wickelkopfes, angepasst werden kann.
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Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem dritten Aspekt aus durch eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Stator oder der Rotor eine Erregerwicklung gemäß dem zweiten Aspekt aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts gelten hierbei auch für den dritten Aspekt.
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Vorteilhafterweise kann dies einen Beitrag dazu leisten, dass die elektrische Maschine eine verbesserte Energieeffizienz aufweist. Der Stator wird auch als Ständer und der Rotor als Läufer und, falls bewickelt, als Anker bezeichnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine Schnittansicht eines Ausschnitts einer elektrischen Maschine.
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1 zeigt eine Schnittansicht eines Ausschnitts einer elektrischen Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 ist beispielsweise als Elektromotor ausgebildet. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 3 und einen Rotor 5 auf. Zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 5 ist ein Luftspalt 6 ausgebildet. Der Stator 3 weist ein Joch 7 und Zähne 8, 9 auf. Die Zähne 8, 9 weisen einen Hals 13 und einen Kopf 15 auf. Der Kopf 15 ist als eine Art Überhang ausgebildet, der zum Halten einer Erregerwicklung 20 dient, die in einer jeweiligen Nut 10 des Stators 3 angeordnet ist. Der Zahn 8 ist beispielsweise aus einem vollen Material ausgebildet. Der Zahn 9 weist als weitere beispielhafte Ausbildung eines Zahnes einen Kühlkanal 24 auf. Die gesamten Zähne 8, 9 können beispielsweise mit einem Kühlkanal 24 ausgeführt werden oder ohne einen Kühlkanal 24 ausgeführt werden. Beispielsweise werden die Zähne 8, 9 abwechselnd mit und ohne Kühlkanal 24 ausgeführt. Der Stator 3 kann als Statorblock oder als Blechpaket ausgebildet sein.
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Wie in 1 gezeigt, weist die Erregerwicklung 20 eine so genannte segmentierte Formstabwicklung in der Nut 10 auf.
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Die Erregerwicklung 20 umfasst eine Vielzahl von Einzelleiter 30, die eine umgeformten Leiterquerschnittsfläche aufweisen. Die Einzelleiter 30 weisen vor der Umformung eine Isolation auf, die die einzelnen Einzelleiter gegeneinander isoliert. Die Einzelleiter werden insbesondere derart umgeformt, dass auch nach der Umformung die Isolation von zumindest einem Großteil der Einzelleiter im Wesentlichen unbeschädigt oder unbeschädigt ist und somit die Einzelleiter im Wesentlichen jeweils ihre Isolation gegenüber den anderen Einzelleiter beibehalten.
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Für die Herstellung der Erregerwicklung 20 werden eine Vielzahl von isolierten Einzelleitern 30, die jeweils eine vorgegebene Leiterquerschnittsfläche aufweisen und die die Erregerwicklung 20 bilden, vorgegeben angeordnet und in einem vorgegebenen ersten Bereich derart umgeformt, dass die Erregerwicklung 20 in dem vorgegebenen ersten Bereich eine vorgegebene Querschnittsfläche aufweist und alle oder zumindest ein großer Teil der Einzelleiter 30 in dem ersten Bereich eine im Vergleich zu vor der Umformung geänderte Leiterquerschnittsfläche aufweisen, wobei die Querschnittsfläche der Erregerwicklung 20 senkrecht zu einer resultierenden Längsrichtung der Einzelleiter 30 verläuft.
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Optional kann ein Klebemittel zwischen die Einzelleiter 30 eingebracht werden, um die Querschnittsfläche der Erregerwicklung 20 in dem ersten Bereich zuverlässiger sicherzustellen. Das Klebemittel kann ein Imprägnierharz und/oder einen Kleblack, auch Backlack genannt, aufweisen.
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Die isolierten Einzelleiter 30 sind beispielsweise vor der Umformung jeweils als Runddrahtleiter ausgebildet. Die Einzelleiter 30 weisen vorzugsweise Kupfer auf oder bestehen im Wesentlichen aus Kupfer. Alternativ oder zusätzlich können die Einzelleiter Aluminium aufweisen.
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Die Querschnittsfläche der Erregerwicklung 20 ist hierbei der geometrischen Form der Nut 10 angepasst. Die Einzelleiter 30 werden beispielsweise in Form einer Spule gewickelt und anschließend dem Umformprozess zugeführt. Hierbei kann die Erregerwicklung 20 als offene Spule oder geschlossene Spule ausgebildet sein. Je nach Ausbildung des Stators 3 beziehungsweise des Rotors 5 und/oder abhängig von der geometrischen Form der Nut 10 wird die Erregerwicklung 20 axial in die Nut 10 eingeschoben oder radial in die Nut 10 eingebracht.
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Der vorgegebene erste Bereich der Erregerwicklung 20 umfasst beispielsweise einen Nutbereich, in dem die Erregerwicklung 20 jeweils in der Nut 10 des Stators 3 beziehungsweise des Rotors 5 angeordnet ist. Alternativ kann sich der vorgegebene erste Bereich näherungsweise über die gesamte Länge oder über den gesamten Umfang der Erregerwicklung 20 erstrecken.
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Eine Statorwicklung oder Rotorwicklung eines Elektromotors oder Generators weist an den jeweiligen Enden meist einen Wickelkopf auf, in dem die aus den Nuten 10, die beispielsweise von Statorblechpaketen gebildet werden, hervorstehenden Enden der Erregerwicklungsstäbe paarweise miteinander leitend verbunden werden.
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Je nach Ausführung der Erregerwicklung 20 kann der Wickelkopf unterschiedlich ausgebildet werden. Werden die Einzelleiter 30 der Erregerwicklung 20 über die gesamte Länge umgeformt, so dass die Erregerwicklung 20 über die gesamte Länge oder den gesamten Umfang die vorgegebene Querschnittsfläche aufweist, kann der Wickelkopf beispielsweise starr und somit geometrisch definiert ausgeführt werden. Dies kann vorteilhaft genutzt werden, um vorgegebene Luft- und Kriechstrecken zwischen den jeweiligen Erregerwicklungen 20 einzuhalten und somit auf Phasenisolationsmaßnahmen zu verzichten.
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Werden die Einzelleiter 30 der Erregerwicklung 20 nur derart umgeformt, dass die Erregerwicklung 20, wenn sie in die jeweilige Nut 10 des Stators 3 oder Rotors 5 eingebracht ist, nur im Bereich der jeweiligen Nut 10 die vorgegebene Querschnittsfläche aufweist, kann der Wickelkopf beispielsweise durch anschließendes Einbringen der Phasenisolation und eine Wickelkopfform an einen vorgegebenen Bauraum angepasst werden oder der erforderliche Bauraum für den Wickelkopf minimiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 3
- Stator
- 5
- Rotor
- 6
- Luftspalt
- 7
- Joch
- 8, 9
- Zahn
- 10
- Nut
- 13
- Hals
- 15
- Kopf
- 20
- Erregerwicklung
- 24
- Kühlkanal
- 30
- Einzelleiter
