DE102019217464A1 - Component of an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Komponente (1) einer elektrischen Maschine, insbesondere Rotor oder Stator, mit einem Komponentenkörper (2), insbesondere einem Blechpaket, der mehrere Zähne (3) und zwischen den Zähnen (3) gebildete Nuten (4) aufweist, wobei in mehreren der Nuten (4) elektrische Leiter einer elektrischen Wicklung (7) angeordnet sind, wobei der Komponentenkörper (2) eine Komponentenachse (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass- in den Nuten (4) jeweils ein oder mehrere Pultrusionsprofile (10) angeordnet sind, die jeweils mehrere als elektrische Leiter ausgebildete Leiterstränge (11), insbesondere aus Kupfer, Aluminium, Carbon-Nanotubes oder Graphen, und ein die Leiterstränge (11) einbettendes, elektrisch isolierendes Matrixmaterial (12), insbesondere eine ausgehärtete duroplastische Formmasse, umfassen und sich jeweils mit einer Längserstreckung und einer bestimmten Querschnittsform durch die Nuten (4) des Komponentenkörpers (2) hindurch erstrecken, dass- Leiterstränge (11) von Pultrusionsprofilen (10) aus unterschiedlichen Nuten (4) mittels von Verbindungsleitern (15) derart miteinander verbunden sind, insbesondere verlötet, verschweißt oder verklebt, dass die elektrische Wicklung (7) gebildet ist.Component (1) of an electrical machine, in particular a rotor or stator, with a component body (2), in particular a laminated core, which has several teeth (3) and grooves (4) formed between the teeth (3), with several of the grooves ( 4) electrical conductors of an electrical winding (7) are arranged, the component body (2) having a component axis (5), characterized in that one or more pultrusion profiles (10) are arranged in the grooves (4), each of which comprise a plurality of conductor strands (11) designed as electrical conductors, in particular made of copper, aluminum, carbon nanotubes or graphene, and an electrically insulating matrix material (12) embedding the conductor strands (11), in particular a cured thermosetting molding compound, and each with a Longitudinal extension and a certain cross-sectional shape through the grooves (4) of the component body (2) so that conductor strands (11) of pultrusion profiles ( 10) from different grooves (4) are connected to one another by means of connecting conductors (15), in particular soldered, welded or glued, in such a way that the electrical winding (7) is formed.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Komponente einer elektrischen Maschine, insbesondere Rotor oder Stator, nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention is based on a component of an electrical machine, in particular a rotor or stator, according to the preamble of the main claim.
Es ist schon ein Rotor einer elektrisch erregten Synchronmaschine aus der
Es sind schon Pultrusionsprofile aus der
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der erfindungsgemäße Komponente einer elektrischen Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Herstellung der elektrischen Wicklung vereinfacht wird, indem in den Nuten jeweils ein oder mehrere Pultrusionsprofile eingesteckt sind, die jeweils mehrere als elektrische Leiter ausgebildete Leiterstränge, insbesondere aus Kupfer, Aluminium, Carbon-Nanotubes oder Graphen, und ein die Leiterstränge einbettendes, elektrisch isolierendes Matrixmaterial, insbesondere eine ausgehärtete duroplastische Formmasse, umfassen und sich jeweils mit einer Längserstreckung und einer bestimmten Querschnittsform durch die Nuten des Komponentenkörpers hindurch erstrecken. Die Leiterstränge von Pultrusionsprofilen aus unterschiedlichen Nuten sind erfindungsgemäß mittels von Verbindungsleitern derart miteinander verbunden, insbesondere verlötet, verschweißt oder verklebt, dass die elektrische Wicklung gebildet ist. Besonders einfach ist die Herstellung der elektrischen Wicklung, wenn in jeder der Nuten der Komponente nur ein Pultrusionsprofil vorgesehen ist.The component according to the invention of an electrical machine with the characterizing features of the main claim has the advantage that the production of the electrical winding is simplified by one or more pultrusion profiles being inserted into the grooves, each of which has a plurality of conductor strands designed as electrical conductors, in particular made of copper , Aluminum, carbon nanotubes or graphene, and an electrically insulating matrix material embedding the conductor strands, in particular a cured thermosetting molding compound, and each extending with a longitudinal extension and a specific cross-sectional shape through the grooves of the component body. According to the invention, the conductor strands of pultrusion profiles from different grooves are connected to one another by means of connecting conductors, in particular soldered, welded or glued, so that the electrical winding is formed. The manufacture of the electrical winding is particularly simple if only one pultrusion profile is provided in each of the grooves of the component.
Die erfindungsgemäßen Pultrusionsprofile werden mittels des bekannten Pultrusionsverfahrens in einer Pultrusionseinrichtung hergestellt, wobei das Pultrusionsverfahren ein Endlos-Pultrusionsprofil erzeugt, das eine bestimmte Querschnittsform aufweist und durch einen Trennprozess in die erfindungsgemäßen Pultrusionsprofile getrennt wird. Erfindungsgemäß werden die Pultrusionsprofile zur Herstellung einer elektrischen Wicklung einer elektrischen Maschine verwendet, indem die Stränge der Pultrusionsprofile als elektrisch leitende Leiterstränge ausgebildet werden und im Wickelkopf zur Bildung der elektrischen Wicklung entsprechend elektrisch verbunden werden. Während bei einer konventionellen Steckwicklung, die nachträglich in einem diskontinuierlichen Prozess in einer elektrisch isolierenden Gießmasse eingebettet wird, Lufteinschlüsse zwischen den Leiterelementen entstehen können, kann dies bei dem kontinuierlichen Pultrusionsverfahren aufgrund einer luftdicht abgeschlossenen Werkzeugeinheit der Pultrusionseinrichtung vermieden werden.The pultrusion profiles according to the invention are produced by means of the known pultrusion process in a pultrusion device, the pultrusion process producing an endless pultrusion profile which has a specific cross-sectional shape and is separated into the pultrusion profiles according to the invention by a cutting process. According to the invention, the pultrusion profiles are used to produce an electrical winding of an electrical machine, in that the strands of the pultrusion profiles are designed as electrically conductive conductor strands and are correspondingly electrically connected in the end winding to form the electrical winding. While with a conventional plug-in winding that is subsequently embedded in an electrically insulating casting compound in a discontinuous process, air inclusions can arise between the conductor elements, this can be avoided in the continuous pultrusion process due to an airtight tool unit of the pultrusion device.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Komponente einer elektrischen Maschine möglich.The measures listed in the subclaims allow advantageous developments and improvements of the components of an electrical machine specified in the main claim.
Sehr vorteilhaft ist, wenn die Leiterstränge jedes der Pultrusionsprofile gegeneinander elektrisch isoliert sind durch Vorsehen jeweils eines Abstandes zwischen den Leitersträngen, wobei der durch den Abstand gebildete Zwischenraum zwischen den Leitersträngen jeweils mit dem Matrixmaterial des Pultrusionsprofils ausgefüllt ist, wobei die eingebetteten Leiterstränge der Pultrusionsprofile und/oder die Verbindungsleiter insbesondere ohne Isolationsbeschichtung ausgebildet sind. Auf diese Weise können zum einen die herkömmlich in den Nuten eingesetzten Isolationspapiere zur elektrischen Isolation der elektrischen Wicklung gegenüber der Komponente, beispielsweise ein Blechpaket eines Stators oder Rotors, entfallen. Zum anderen kann auf die empfindliche herkömmliche Isolationsbeschichtung bzw. Lackisolation der elektrischen Leiter verzichtet werden, so dass die Materialkosten für die elektrischen Leiter der elektrischen Wicklung erheblich verringert werden können und der Ausschuss bei der Produktion der Komponente gesenkt werden kann.Der Abstand zwischen den Leitersträngen im jeweiligen Pultrusionsprofil kann durch das Einbringen von elektrisch isolierenden Zuschlagsstoffen in Form von beispielsweise Stapel- oder Endlosfasern, Textilien oder textilen Flächengebilden oder in Form eines Pulvers oder Granulates eingestellt werden. Auf diese Weise können auch -je nach Art und Form des Zuschlagsstoffes- die Werkstoffeigenschaften des Matrixmaterials gezielt eingestellt werden. Hierzu zählen u.a. die thermische Leitfähigkeit zur Verbesserung der Wärmeabfuhr aus den Leitersträngen des Pultrusionsprofils heraus, die mechanischen Eigenschaften zur Verbesserung der Drehzahlfestigkeit und der thermische Ausdehnungskoeffizient zur Verbesserung der Verbundhaftung bei thermischer Ausdehnung.It is very advantageous if the conductor strands of each of the pultrusion profiles are electrically insulated from one another by providing a spacing between the conductor strands, the space between the conductor strands formed by the spacing being filled with the matrix material of the pultrusion profile, the embedded conductor strands of the pultrusion profiles and / or the connecting conductors are designed in particular without an insulation coating. In this way, on the one hand, the insulation papers conventionally used in the grooves for electrical insulation of the electrical winding from the component, for example a laminated core of a stator or rotor, can be dispensed with. On the other hand, the sensitive conventional insulation coating or lacquer insulation of the electrical conductors can be dispensed with, so that the material costs for the electrical conductors of the electrical winding can be significantly reduced and the rejects during the production of the component can be reduced The respective pultrusion profile can be adjusted by introducing electrically insulating additives in the form of, for example, staple or continuous fibers, textiles or flat textile structures or in the form of a powder or granulate. In this way, depending on the type and shape of the aggregate, the material properties of the matrix material can also be set in a targeted manner. These include the thermal conductivity to improve the heat dissipation from the conductor strands of the pultrusion profile, the mechanical properties to improve the speed stability and the thermal expansion coefficient to improve the bond with thermal expansion.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die Querschnittsform der Pultrusionsprofile zwei den Zähnen der jeweiligen Nut zugewandte Profilseiten aufweist, wobei die Leiterstränge im jeweiligen Pultrusionsprofil in einer oder mehreren Stapelanordnungen angeordnet sind, wobei die Stapelanordnung sich in Richtung einer der Profilseiten oder in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse der Komponente erstreckt. Durch die Stapelanordnung wird ein möglichst hoher Kupferfüllfaktor in der jeweiligen Nut der Komponente erreicht.According to an advantageous embodiment, it is provided that the cross-sectional shape of the pultrusion profiles has two profile sides facing the teeth of the respective groove, the conductor strands in the respective pultrusion profile being arranged in one or more stack arrangements, the stack arrangement facing towards one of the profile sides or in the radial direction extends the component axis of the component. As a result of the stacking arrangement, the highest possible copper fill factor is achieved in the respective groove of the component.
Besonders vorteilhaft ist, wenn jeweils ein einziges Pultrusionsprofil in den Nuten vorgesehen und der Querschnitt der Pultrusionsprofile korrespondierend zum Querschnitt der Nuten ausgebildet ist oder dass jeweils mehrere Pultrusionsprofile in den Nuten angeordnet sind und der gemeinsame Querschnitt der in derselben Nut angeordneten Pultrusionsprofile korrespondierend zum Querschnitt der jeweiligen Nut ausgebildet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Nuten der Komponente jeweils durch ein einziges Pultrusionsprofil oder durch mehrere Pultrusionsprofile voll ausgefüllt werden.It is particularly advantageous if a single pultrusion profile is provided in the grooves and the cross-section of the pultrusion profiles is designed to correspond to the cross-section of the grooves or if several pultrusion profiles are arranged in the grooves and the common cross-section of the pultrusion profiles arranged in the same groove corresponds to the cross-section of the respective grooves Groove is formed. In this way it is achieved that the grooves of the component are each completely filled by a single pultrusion profile or by several pultrusion profiles.
Auch vorteilhaft ist, wenn die Zähne der Komponente in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse gesehen jeweils an ihrem freien Ende einen beidseitig auskragenden Zahnkopf aufweisen und dass die Pultrusionsprofile der Komponente jeweils formschlüssig in der jeweiligen Nut aufgenommen und im Zusammenwirken mit den entsprechenden Zahnköpfen in der jeweiligen Nut gehalten sind. Auf diese Weise wird eine einfache Fixierung der Pultrusionsprofile in den Nuten der Komponente erreicht. Bei Rotoren wird insbesondere eine hohe Drehzahlfestigkeit des Rotors erzielt.It is also advantageous if the teeth of the component, viewed in the radial direction with respect to the component axis, each have a cantilevered tooth head at their free end and that the pultrusion profiles of the component are each received positively in the respective groove and interact with the corresponding tooth heads in the respective groove are held. In this way, a simple fixation of the pultrusion profiles in the grooves of the component is achieved. In the case of rotors, a high speed stability of the rotor is achieved in particular.
Des weiteren vorteilhaft ist, wenn in dem Pultrusionsprofil zumindest ein Kühlkanal zum Durchströmen mit einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine effektive Kühlung der Leiterstränge des jeweiligen Pultrusionsprofils erreicht werden.It is also advantageous if at least one cooling channel for a cooling medium, in particular a cooling liquid, to flow through is formed in the pultrusion profile. In this way, effective cooling of the conductor strands of the respective pultrusion profile can be achieved.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Leiterstränge der Pultrusionsprofile und die Verbindungsleiter stabförmig ausgebildet sind und jeweils einen rechteckförmigen Leiterquerschnitt aufweisen und die Verbindungsleiter jeweils quer zur Längserstreckung des jeweiligen Pultrusionsprofils an das stirnseitige Ende des jeweiligen Leiterstrangs angefügt sind und an den beiden Stirnseiten der Komponente jeweils einen Wickelkopf bilden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass beim Fügen der elektrischen Leiter jeweils der gesamte Leiterquerschnitt jedes Leiterstrangs mit dem zugeordneten Verbindungsleiter kontaktiert wird, so dass zusätzliche ohmsche Verluste vermieden werden. Außerdem wird ein radienfreier bzw. biegungsfreier Übergang zwischen den Leitersträngen des jeweiligen Pultrusionsprofils und den entsprechenden Verbindungsleitern und dadurch ein in axialer Richtung bezüglich der Komponentenachse sehr kurz ausgeführter Wickelkopf der elektrischen Wicklung erreicht, so dass eine entsprechend kurze axiale Baulänge der elektrischen Maschine erzielbar ist. Der Leiterquerschnitt der Verbindungsleiter und der Leiterquerschnitt der Leiterstränge der Pultrusionsprofile kann gleich groß oder unterschiedlich groß ausgebildet sein.It is also advantageous if the conductor strands of the pultrusion profiles and the connecting conductors are rod-shaped and each have a rectangular conductor cross-section and the connecting conductors are each attached to the front end of the respective conductor strand transversely to the longitudinal extension of the respective pultrusion profile and a winding head is attached to the two end faces of the component form. In this way it can be achieved that when the electrical conductors are joined, the entire conductor cross-section of each conductor strand is contacted with the associated connecting conductor, so that additional ohmic losses are avoided. In addition, a radius-free or bend-free transition is achieved between the conductor strands of the respective pultrusion profile and the corresponding connecting conductors and thus a very short end winding of the electrical winding in the axial direction with respect to the component axis, so that a correspondingly short axial length of the electrical machine can be achieved. The conductor cross-section of the connecting conductors and the conductor cross-section of the conductor strands of the pultrusion profiles can be of the same size or of different sizes.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn an den beiden Stirnseiten der Komponente jeweils eine Wickelkopfeinheit vorgesehen ist, die alle Verbindungsleiter des jeweiligen Wickelkopfes umfasst und zum Fügen der Leiterstränge der Pultrusionsprofile mit den entsprechenden Verbindungsleitern ausgebildet ist, insbesondere zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer oder aller Fügeverbindungen. Auf diese Weise kann die elektrische Wicklung besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.In addition, it is advantageous if a winding head unit is provided on each of the two end faces of the component, which includes all connecting conductors of the respective winding head and is designed to join the conductor strands of the pultrusion profiles with the corresponding connecting conductors, in particular for the simultaneous production of several or all joints. In this way, the electrical winding can be produced in a particularly simple and cost-effective manner.
Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Komponente der elektrischen Maschine ein Rotor einer elektrisch erregten Synchronmaschine, dessen Zähne Schenkelpole sind, wobei die demselben Schenkelpol zugewandten Leiterstränge zweier benachbarter Pultrusionsprofile jeweils mittels der Verbindungsleiter zu einer Einzelspule verbunden sind und wobei Verbindungsleiter vorgesehen sind, die die Einzelspulen zur Bildung der elektrischen Wicklung des Rotors miteinander elektrisch verbinden.According to an advantageous embodiment, the component of the electrical machine is a rotor of an electrically excited synchronous machine, the teeth of which are salient poles, wherein the conductor strands of two adjacent pultrusion profiles facing the same salient pole are each connected by means of the connecting conductors to form a single coil and connecting conductors are provided which the individual coils for Electrically connect to one another forming the electrical winding of the rotor.
FigurenlisteFigure list
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt eine Teilansicht einer Stirnseite eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Maschine mit in Nuten des Rotors angeordneten Pultrusionsprofilen gemäß einer ersten Ausführungsform, -
2 eine dreidimensionale Schnittansicht des Rotors nach1 , -
3 eine weitere dreidimensionale Schnittansicht des Rotors nach1 mit Blick auf die andere Stirnseite des Rotors, -
4 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Rotors nach1 mit einem im Schnitt dargestellten Pultrusionsprofil gemäß einer zweiten Ausführungsform und -
5 eine dreidimensionale Schnittansicht des Pultrusionsprofils nach4 .
-
1 shows a partial view of an end face of a rotor according to the invention of an electrical machine with pultrusion profiles arranged in grooves of the rotor according to a first embodiment, -
2 a three-dimensional sectional view of the rotor according to1 , -
3rd a further three-dimensional sectional view of the rotor according to1 with a view of the other face of the rotor, -
4th a partial view of the rotor according to theinvention 1 with a pultrusion profile shown in section according to a second embodiment and -
5 a three-dimensional sectional view of the pultrusion profile according to4th .
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
Die Erfindung betrifft eine Komponente
Die Komponente
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in den Nuten
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leiterstränge
Nach dem Ausführungsbeispiel ist die Komponente
Die Leiterstränge
Die Querschnittsform der Pultrusionsprofile
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jeweils ein einziges Pultrusionsprofil
Die Leiterstränge
In den Pultrusionsprofilen
Die Leiterstränge
Die Verbindungsleiter
Die Verbindungsleiter
An den beiden Stirnseiten der Komponente
Das Pultrusionsprofil
Das erfindungsgemäße Pultrusionsprofil
Das Endlos-Pultrusionsprofil umfasst mehrere Stränge und ein die Stränge einbettendes Matrixmaterial
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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