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Die Erfindung betrifft eine Spule für eine elektrische Maschine, die einen Wicklungsträger und einen Spulendraht umfasst, wobei der Spulendraht mehrere auf den Wicklungsträger aufgebrachte Wicklungslagen bildet, die jeweils durch in Längsrichtung der Spule aufeinanderfolgende Windungen des Spulendrahtes um eine in die Längsrichtung verlaufende Längsachse gebildet werden, wobei die Wicklungslagen in Richtung senkrecht zur Längsachse übereinander gestapelt sind, wobei in wenigstens einer der Wicklungslagen zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Windungen dieser Wicklungslage in Längsrichtung voneinander beabstandet sind und somit eine Lücke in der jeweiligen Wicklungslage begrenzen, in der ein jeweiliger durch wenigstens eine der die jeweilige Lücke begrenzenden Windungen gestützter Drahtabschnitt des Spulendrahtes geführt ist, wobei in zumindest einem Lückenabschnitt der Lücke die Lückenbreite gleichgroß oder größer ist als der Durchmesser des gestützten Drahtabschnitts. Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zur Wicklung einer Spule.
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Rotierende elektrische Maschinen werden typischerweise aus einem Stator und einem Rotor gebildet, wobei sich im Stator Leiter befinden, die durch geeignete Bestromung ein sich drehendes Magnetfeld erzeugen. Dieses wechselwirkt mit einem Magnetfeld eines Rotors, das beispielsweise durch Permanentmagnete oder dortige bestromte Wicklung erzeugt wird, um diesen zur Rotation anzutreiben.
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Wicklungen eines Rotors, insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine, können hergestellt werden, indem ein Spulendraht, beispielsweise ein mit einer Isolationsschicht beschichteter Kupferdraht, um am Rotor ausgebildete Rotorzähne gewickelt wird. Um möglichst viele Wicklungen am jeweiligen Rotorzahn anbringen zu können, was aus Effizienz-und Leistungsgründen vorteilhaft ist, soll der zur Verfügung stehende Bauraum zwischen den Rotorzähnen optimal ausgenutzt werden. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Spule zum radial äußeren Rand des Rotors hin breiter wird, um die dortige größere, breitere Nut zwischen den Rotorzähnen gut auszunutzen. Der resultierende trapezförmige Wicklungsaufbau wird auch als konische Wicklung bezeichnet.
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Problematisch bei einem solchen Wicklungsaufbau kann es sein, dass insbesondere Windungen der äußersten Wicklungslage durch aufgrund der Führung des Spulendrahts resultierende Kräften in Radialrichtung des Rotors verrutschen. Dies kann zu einer weniger effizienten Ausnutzung des Bauraums, zu Problemen bei der Herstellung oder sogar zu Schäden an der elektrischen Maschine führen.
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Mit einer ähnlichen Problematik bei Statoren setzt sich die Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2007 007 580 U1 auseinander. Dort wird vorgeschlagen, im Bereich von Stufen der Wicklung, an denen zur Verbreiterung der Spule eine zusätzliche Wicklungslage hinzukommt, in der jeweiligen tieferliegenden Wicklungslage durch Variation der Windungsabstände eine Lücke zu belassen, durch die der Spulendraht beim Wickeln der Spule unmittelbar vor dem Beginn der zusätzlichen Lage oder unmittelbar nach Abschluss des Wickelns der zusätzlichen Lage geführt wird, um diese Stufe abzustützen. Nachteilig an diesem Vorgehen ist, dass ein solches Abstützen jeder Stufe nur dann möglich ist, wenn die jeweils tieferliegende Wicklungslage über mehrere Windung freiliegt. Anders ausgedrückt, kann das in der Druckschrift erläuterte Vorgehen erst bei relativ großen Stufenbreiten in Längsrichtung der Spule, d.h. insbesondere in Radialrichtung des Rotors, genutzt werden. Unterscheidet sich die Anzahl der Windungen in benachbarten Wicklungslage nur geringfügig, beispielsweise nur 1 oder 2 Windungen, ist eine Abstützung jeder einzelnen Stufe jedoch nicht zweckmäßig und mit dem in der genannten Druckschrift vorgeschlagenen Vorgehen auch nicht möglich.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 029 306 A1 offenbart eine um einen Drahthalter gewickelte Spule, wobei in der äußersten Wicklungslage bzw. in den zwei äußersten Wicklungslagen beim Wickeln zunächst Lücken verbleiben, in die der Draht bei seiner Rückführung zum Spulenanfang zur Stabilisierung eingelegt werden kann.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, eine verbesserte Stabilisierung der Windungen einer Spule anzugeben, insbesondere wenn diese durch Wicklungslagen gebildet ist, die relativ geringe Längenunterschiede aufweisen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spule der eingangs genannten Art gelöst,
- - wobei einerseits in Lücken zweier verschiedener Wicklungslagen gestützte Drahtabschnitte durch einen Verbindungsabschnitt des Spulendrahtes verbunden sind, der die Längsachse der Spule maximal einmal umläuft, wobei zwischen den verschiedenen Wicklungslagen wenigstens eine weitere Wicklungslage angeordnet ist oder wenigstens zwei oder wenigstens drei weitere Wicklungslagen angeordnet sind, und/oder
- - wobei andererseits wenigstens einer der gestützten Drahtabschnitte mit einem Spulenendabschnitt des Spulendrahtes verbunden ist, der sich zu einem Ende der Spule in Längsrichtung erstreckt und hierbei die Längsachse der Spule maximal einmal umläuft, wobei der Spulenendabschnitt im Bereich des Endes der Spule in Längsrichtung eine tieferliegende Wicklungslage berührt, wobei zwischen der die diesen gestützten Drahtabschnitt führenden Lücke ausbildenden Wicklungslage und der tieferliegenden Wicklungslage wenigstens eine weitere Wicklungslage angeordnet ist oder wenigstens zwei oder wenigstens drei weitere Wicklungslagen angeordnet sind.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass durch eine beidseitige Abstützung eines Verbindungsabschnittes durch zwei gestützte Drahtabschnitte, die jeweils durch Lücken in verschiedenen Wicklungslagen geführt werden, auch bei einer Führung des Drahtes über eine relativ große Länge in Längsrichtung der Spule bzw. zwischen deutlich unterschiedlichen Radien eine Robuste Stabilisierung der Wicklung erreicht werden kann.
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Eine solche Abstützung kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn eine Spule gewickelt werden soll, bei der die Endabschnitte des Spulendrahtes, über die die Spule bestromt bzw. mit anderen Spulen verbunden wird, zu einem Ende der Spule geführt werden sollen, an dem diese einen geringeren Durchmesser aufweist bzw. weniger Wicklungslagen aufweist als an dem anderen Ende. Dies kann beispielsweise bei der Bewicklung eines Rotors der Fall sein, wenn die Drahtführung zwischen verschiedenen Spulen des Rotors radial innerhalb der Spulen erfolgen soll und zugleich, wie obig erläutert, zur besseren Bauraumausnutzung auf größeren Radien mehr Wicklungslagen genutzt werden sollen als auf kleineren Radien. Eine derartige Bewicklung führt notwendigerweise dazu, dass der Spulendraht nach dem Abschluss des Bewickelns der äußersten Lage in Längsrichtung der Spule bzw. in Radialrichtung des Rotors und typischerweise auch in Radialrichtung der Spule von jenem Punkt entfernt ist, von dem aus er zur benachbarten Spule geführt werden soll.
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Wird ein Spulenendabschnitt, der mit einem gestützten Drahtabschnitt verbunden ist, zu einem Ende der Spulen in Längsrichtung geführt, kann unter Umständen darauf verzichtet werden, ihn durch Führung durch eine Lücke an diesem Ende der Spule abzustützen. Eine Abstützung kann beispielsweise direkt über ein Stützelement des Rotors bzw. des Wicklungsträgers und/oder das Ende der Spule selbst erfolgen.
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Der gestützte Drahtabschnitt ist von dem jeweiligen die aufeinanderfolgenden Windungen bildenden Windungsdrahtabschnitt des Spulendrahtes in Richtung des Drahtes beabstandet. Anders ausgedrückt werden die beabstandeten Windungen und der gestützte Drahtabschnitt durch entlang des Drahtes voneinander beabstandete Abschnitte des Spulendrahtes gebildet. Beispielsweise können im Rahmen des Wickelns der Spule nach dem Aufbringen der aufeinanderfolgenden Windungen zunächst mehrere weitere Windungen der gleichen Wicklungslage und/oder von anderen Wicklungslagen aufgebracht werden, bevor der Spulendraht zu der zwischen den aufeinanderfolgenden Windungen gebildete Lücke geführt wird.
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Die Lücken der verschiedenen Wicklungslagen sind vorzugsweise in Längsrichtung der Spule voneinander beabstandet, insbesondere um wenigstens den doppelten Drahtdurchmesser des Verbindungsabschnitts. Insbesondere hat der Spulendraht auf der gesamten Länge eine im Wesentlichen konstante Dicke. Der Spulendraht kann beispielsweise durch einen leitenden Kern und eine diese umgebende Isolationsschicht gebildet werden. Beispielsweise kann es sich um isolierten Kupferdraht handeln.
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Die Wicklungslagen sind vorzugsweise als orthozyklische Wicklung aufgebracht. Hierbei wird ein runder Spulendraht verwendet, wobei, abgesehen von der innersten Wicklungslage, der Spulendraht jeweils in einen durch die runde Form des Spulendrahtes resultierenden Zwischenraum zwischen zwei benachbarten, insbesondere einander berührenden, Windungen der nächst tiefer liegenden Wicklungslage eingelegt ist. Hierbei resultiert typischerweise ein Winkel zwischen den Verbindungsgeraden der Drahtmitten von ca. 60°, z.B. von zwischen 50° und 70°. Hierdurch wird einerseits eine sehr gute Bauraumausnutzung erreicht und andererseits die Position des Spulendrahts in Längsrichtung der Spule zu einem gewissen Grad stabilisiert. Eine zusätzliche Fixierung durch die obig diskutierten Lücken, die durch eine gezielt beabstandete Anordnung von mehreren Windungen in Längsrichtung erreicht wird, ist somit typsicherweise nur dann erforderlich, wenn durch den Verbindungsabschnitt bzw. den Spulenendabschnitt eine große Distanz im Längsrichtung und/oder senkrecht zur Längsachse überbrückt werden soll.
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In der senkrecht zur Längsachse maximal von dem Wicklungsträger beabstandeten Wicklungslage können zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Windungen dieser Wicklungslage in Längsrichtung voneinander beabstandet sein und somit die Lücke oder eine der Lücken begrenzen, in der ein jeweiliger gestützter Drahtabschnitt des Spulendrahtes geführt ist. Diese Wicklungslage wird typischerweise zuletzt gewickelt. Insbesondere bei den obig erläuterten Geometrien mit in Längsrichtung variierender Wicklungslagenzahl und speziell wenn die letzte Lage in jene Richtung bewickelt wird, in der die Wicklungslagenzahl abnimmt, erfolgt von dieser Richtung her allenfalls eine geringfügige Abstützung der Wicklungen aufgrund der obig erläuterten orthozyklischen Wicklung, womit ein unmittelbares Wegführen des Spulendrahtes zu dem Ende der Spule mit geringerer Wicklungslagenzahl typischerweise zu einer ungewünschten Verlagerung zumindest der letzten Windungen führt.
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Durch das Vorsehen einer Lücke in dieser Wicklungslage kann der Spulendraht nach dem Abschluss des Wickelns dieser Wicklungslage zurück zu dieser Lücke geführt werden und somit durch die verbleibenden Wicklungen dieser Wicklungslage oder zumindest durch Teile dieser Wicklungen in Längsrichtung abgestützt werden. Beispielsweise kann bei der Wicklung einer Rotorspule der gestützte Drahtabschnitt durch wenigstens eine Windung, jedoch vorzugsweise durch zwei oder mehr Windungen, an der der Rotorwellen zugewandten Seite der Lücke abgestützt werden.
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In dem Fall, dass die durch Lücken zweier verschiedener Wicklungslagen gestützten Drahtabschnitte durch den Verbindungsabschnitt des Spulendrahtes verbunden sind, ist zwischen den verschiedenen Wicklungslagen wenigstens eine weitere Wicklungslage angeordnet oder es sind dort wenigstens zwei oder wenigstens drei weitere Wicklungslagen angeordnet. Anders ausgedrückt kann der Verbindungsabschnitt mehrere weitere Wicklungslagen überspannen und die erfindungsgemäße Abstützung kann somit beispielsweise genutzt werden, um einen Spulendraht stabil zwischen deutlich beabstandeten Wicklungslagen zu führen.
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In dem Fall, dass wenigstens einer der gestützten Drahtabschnitte mit dem Spulenendabschnitt verbunden ist, berührt der Spulenendabschnitt im Bereich des Längsendes der Spule eine tieferliegende Wicklungslage, wobei zwischen der die diesen gestützten Drahtabschnitt führenden Lücke ausbildeten Wicklungslage und der tiefer liegenden Wicklungslage wenigstens eine weitere Wicklungslage angeordnet ist oder wenigstens zwei oder wenigstens drei weitere Wicklungslagen angeordnet sind. Somit kann auch das Spulenende, wie obig zum Verbindungsabschnitt erläutert, mehrere Wicklungslagen überspannen.
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In wenigstens zwei benachbarten Wicklungslagen an der gleichen Position in Längsrichtung der Spule können jeweils zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Windungen der jeweiligen Wicklungslage in Längsrichtung voneinander beabstandet sein, wodurch durch die aufeinanderfolgenden Windungen der benachbarten Wicklungslagen gemeinsam eine Lücke begrenzt wird, in der ein in dieser Lücke gestützter Drahtabschnitt des Spulendrahtes geführt ist, wobei in zumindest einem Lückenabschnitt der Lücke die Lückenbreite gleichgroß oder größer ist als der Durchmesser des gestützten Drahtabschnitts. Insbesondere kann in der weiter außen liegenden Wicklungslage der Abstand der Wicklungen zumindest der doppelten Drahtdurchmesser und/oder in der tieferen Wicklungslage zumindest der Drahtdurchmesser sein. Beispielsweise kann bei einer orthozyklischen Wicklung in der tieferen Wicklungslage ein Zwischenraum, in der der Spulendraht ansonsten liegt, übersprungen werden. In der oberen Lage können dann aufeinanderfolgende Windungen in die Kerben links und rechts der Lücke eingelegt werden, womit ein Abstand der Windungen von ungefähr dem doppelten Drahtdurchmesser resultiert. Die Kerbe hat somit einen Querschnitt der prinzipiell drei gestützte Drahtabschnitte aufnehmen könnte. Besonders bevorzugt wird eine solche größere Kerbe jedoch genutzt, um einen einzigen Drahtabschnitt besonders stabil zu abzustützen, was beispielsweise dazu dienen kann, den Spulendraht unmittelbar von einer Position nahe eines Endes der Spule zu dem anderen Spulenende zu führen.
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Falls eine noch stärkere Abstützung des gestützten Drahtabschnitts gewünscht ist, können beispielsweise auch noch tiefere Lücken ausgebildet werden, beispielsweise indem in drei benachbarten Wicklungslagen voneinander in Längsrichtung der Spule beabstandete Windungen an der gleichen Position in Längsrichtung vorgesehen werden. Bei dem obig diskutierten Ansatz, bei dem eine orthozyklische Wicklung genutzt wird, könnte beispielsweise eine Lücke mit einer Breite eines einfachen Drahtdurchmessers in der untersten dieser drei Wicklungslagen, eine Lücke mit einer Breite von zwei Drahtdurchmessern in der mittleren dieser Wicklungslagen und eine Lücke mit einer Breite von drei Drahtdurchmessern in der obersten dieser Wicklungslagen resultieren, womit die Lücke durch das „Fehlen“ von insgesamt sechs Drahtabschnitten gebildet wird.
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Der Spulendraht kann einen Spulenanfangsabschnitt und den oder einen Spulenendabschnitt aufweisen, über die die Spule bestrombar ist und/oder in denen sich der Spulendraht zu einer weiteren Komponente, insbesondere zu einer weiteren Spule der gleichen elektrischen Maschine, erstreckt, wobei sich der Spulenanfangsabschnitt und der Spulenendabschnitt über ein erstes Ende der Spule in Längsrichtung hinauserstrecken, wobei die in einem jeweiligen Längsabschnitt der Spule vorhandene Anzahl von Wicklungslagen von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende in Längsrichtung hin zunimmt. Da der Spulendraht typischerweise über seine gesamte Längen im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist, nimmt somit auch der durch die Spule eingenommene Bauraum zum zweiten Ende hin zu. Dies kann, wie obig erläutert, insbesondere zweckmäßig sein, wenn mehrere Spulen genutzt werden, die auf in Umfangsrichtung einer elektrischen Maschine beabstandete Zähne gewickelt sind. In diesem Fall nimmt der verfügbare Bauraum für die jeweilige Spule typischerweise mit dem Radius zu, sodass das zweite Ende das radial außenliegende Ende der jeweiligen Spulen sein kann.
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Der Spulendraht kann sich ausgehend vom Spulenanfangsabschnitt zunächst über die innerste Wicklungslage erstrecken, die benachbart zum Wicklungsträger, also beispielsweise einem Rotorzahn, liegt. Im weiteren Verlauf erstreckt sich der Spulendraht sequenziell durch die jeweils folgenden, weiter außen liegenden Wicklungslagen, wobei insbesondere durchgehend der gleiche Drehsinn beigehalten wird. Abgesehen vom gestützten Drahtabschnitt, Verbindungsabschnitt und Spulenendabschnitt ändert sich vorzugsweise innerhalb der jeweiligen Wicklungslage der Abstand der Spulendrahtes von dem ersten Ende monoton mit der Anzahl der vorangehenden Windungen der jeweiligen Wicklungslage. Insbesondere erfolgt in aufeinanderfolgenden Wicklungslagen abwechselnd ein monotones Steigen bzw. Fallen dieses Abstandes.
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Wie obig erläutert, dient die durch die jeweilige Wicklungslage gebildete Lücke primär dazu, einen hierin geführten Drahtabschnitt des Spulendrahtes durch wenigstens eine an die Lücke angrenzende Windung zu stützen. Bei der obig geschildeten Geometrie soll insbesondere eine Abstützung gegen ein Verrutschen in Längsrichtung zum ersten Ende hin erreicht werden. Um eine robuste Stützung zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, wenn auf der dem ersten Ende zugewandten Seite der jeweiligen Lücke wenigstens zwei weitere Windungen der diese Lücke ausbildenden Wicklungslage angeordnet sind.
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Neben der erfindungsgemäßen Spule betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor wenigstens eine erfindungsgemäße Spule umfasst. Insbesondere umfasst der Rotor mehrere solche Spulen, die zumindest teilweise durch einen gemeinsamen Spulendraht ausgebildet sind und auf eine gemeinsame Tragkomponente aufgebracht sind, beispielsweise auf ein Joch mit radial abragenden Zähnen. Die Tragkomponente kann hierbei die Wicklungsträger für die verschiedenen Spulen bilden, wobei beispielsweise jeweils ein Zahn eines Jochs bzw. eines Rotors einen Wicklungsträger für eine Spule bildet.
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Insbesondere kann der Rotor mehrere der Spulen umfassen, die durch einen fortlaufenden Spulendraht gebildet sind, wobei die Wicklungsträger der Spulen durch in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine voneinander beabstandete Zähne gebildet werden, die bezüglich einer Drehachse des Rotors radial abragen, wobei wenigstens ein Paar der Spulen durch einen jeweiligen Kopplungsabschnitt des fortlaufenden Spulendrahts oder ein rotorseitiges Kontaktelement, z.B. eine Kontaktschiene, das insbesondere wellenseitig angeordnet sein kann, verbunden ist, der oder das bezüglich des Rotors radial innerhalb der Spulen angeordnet ist. Der Kopplungsabschnitt kann insbesondere den Spulenanfangsabschnitt für eine der Spulen des Paars und den Spulenendabschnitt für die andere der Spulen des Paars zumindest teilweise umfassen bzw. unmittelbar an diese Abschnitte angrenzen.
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In der beschriebenen Konfiguration entspricht die Längsrichtung der jeweiligen Spule der Radialrichtung der elektrischen Maschine in der Zahnmitte des jeweiligen Rotorzahns. Die Zähne können an ihren radial äußeren Enden in einem Zahnkopf enden bzw. diesen tragen, der den als Wicklungsträger dienenden Zahnhals zumindest in Umfangsrichtung verbreitert und somit die jeweilige Spule radial abstützt.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Stator wenigstens eine Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst. Es kann sich hierbei um die obig erläuterte elektrische Maschine handeln, sodass sowohl der Rotor als auch der Stator jeweils wenigstens eine erfindungsgemäße Spule umfassen, es ist jedoch auch möglich, dass ausschließlich der Stator eine erfindungsgemäße Spule umfasst.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Wicklung einer Spule auf einen Wicklungsträger, insbesondere auf einen Zahn eines Rotors einer elektrischen Maschine, wobei ein Spulendraht in mehreren Wicklungslagen auf einen Wicklungsträger aufgebracht wird, wobei die jeweilige Wicklungslage gebildet wird, indem in Längsrichtung der Spule aufeinanderfolgende Windungen des Spulendrahtes um eine in die Längsrichtung verlaufende Längsachse der Spule gebildet werden, wobei die Wicklungslagen nacheinander aufgebracht und hierdurch in der Richtung senkrecht zur Längsachse übereinander gestapelt werden, wobei bei dem Aufbringen wenigstens einer der Wicklungslagen zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Windungen dieser Wicklungslage derart in Längsrichtung voneinander beabstandet aufgebracht werden, dass durch sie eine Lücke der jeweiligen Wicklungslage begrenzt wird, wonach nach Abschluss des Aufbringens dieser Wicklungslage ein Drahtabschnitt des Spulendrahts durch diese Lücke geführt und somit durch wenigstens eine der diese Lücke begrenzenden Windungen gestützt wird, wobei in zumindest einem Lückenabschnitt der Lücke die Lückenbreite gleichgroß oder größer ist als der Durchmesser des gestützten Drahtabschnitts,
- - wobei einerseits der Spulendraht derart durch Lücken zweier verschiedener Wicklungslagen geführt wird, dass die durch diese Lücken geführten Drahtabschnitte durch einen Verbindungsabschnitt des Spulendrahtes verbunden sind, der maximal einmal um die Längsachse der Spule geführt wird, und/oder
- - wobei andererseits wenigstens einer der gestützten Drahtabschnitte mit einem Spulenendabschnitt des Spulendrahtes verbunden ist, der derart zu einem Ende der Spule in Längsrichtung geführt wird, dass er hierbei die Längsachse der Spule maximal einmal umläuft.
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Nach dem Führen des Spulenendabschnitts zum Ende der Spule in Längsrichtung kann der Spulendraht beispielsweise zu einem weiteren Wicklungsträger der gleichen elektrischen Maschine, beispielsweise zu einem weiteren Rotorzahn, geführt werden, um gemäß dem gleichen Verfahren eine weitere Spule zu wickeln. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere genutzt werden, um eine erfindungsgemäße Spule bzw. eine erfindungsgemäße elektrische Maschine herzustellen. Die zu der erfindungsgemäßen Spule bzw. der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine erläuterten Merkmale, insbesondere bezüglich der genutzten Wickelgeometrie, können mit den dort genannten Vorteilen auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden.
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Besonders bevorzugt wird der Spulendraht erst nach dem Aufbringen aller Wicklungslagen durch die Lücke oder die Lücken geführt. Die Führung des Spulendrahtes durch die Lücke oder die Lücken kann insbesondere genutzt werden, um diesen im Rahmen der Führung des Spulendrahtes zum Spulenende zu stabilisieren.
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Wie bereits obig erläutert, kann diese insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn die Anzahl der Wicklungslagen von einem ersten zu einem zweiten Ende der Spule hin zunehmen soll, wobei der Spulendraht nach Abschluss der Wicklung der senkrecht zur Längsachse der Spule am weitesten außen liegenden Wicklungslage zurück zu dem ersten Spulenende, also beispielsweise bei einem Rotor eines Innenläufers zurück in Richtung der Drehachse, geführt werden soll, beispielsweise um den Spulendraht radial innerhalb der Spulen zu einer weiteren zu wickelnden Spule zu führen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung zeigen die folgenden Ausführungsbeispiele sowie die zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
- 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spule die durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist, und
- 3 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spule.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 162, die einen Rotor 163 und einen nur schematisch dargestellten Stator 164 aufweist. Der Rotor umfasst ein Joch 166, dass auf der Rotorwelle 167 des Rotors 163 angebracht ist und von dem Zähne 168 abragen, die als Wicklungsträger 165 für die Spulen 161 des Rotors 163 dienen. Bei der elektrischen Maschine 162 kann es sich beispielsweise um eine fremderregte Synchronmaschine handeln, bei der die Spulen 161 des Rotors 163 bestromt werden, um drei Pole zu bilden. Der Stator 164 umfasst mehrere nicht dargestellte Elektromagneten, die mit den Magnetfeldern der Spulen 161 wechselwirken, wodurch der Rotor 163 angetrieben werden kann oder bei einem generatorischen Betrieb die Rotationsenergie des Rotors 163 in elektrische Energie umgesetzt werden kann.
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Die Spulen 161 sind in 1 nur schematisch dargestellt. Der detaillierte Aufbau der Spulen 161 ist schematisch in 2 dargestellt.
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Wie bereits in 1 zu erkennen ist, resultiert aus dem Aufbringen der Spulen auf radial abragende Zähnen 168, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, dass nahe am Joch 166 bzw. der Rotorwelle 167 weniger Raum für die jeweilige Spule 161 zur Verfügung steht als im Außenbereich des Wicklungsträgers 165, also beispielsweise unmittelbar benachbart zum Zahnkopf. Um diesen Bauraum optimal auszunutzen, variiert die Anzahl der Wicklungslagen 170-181 der Spule 161 in Längsrichtung der Spule, also in Richtung der Längsachse 182 in 2, und somit die Anzahl der Windungen zwischen den Wicklungslagen. Während benachbart zum Joch 166 nur vier Wicklungslagen 170-173 genutzt werden, erhöht sich die Anzahl der Wicklungslagen zum oberen Rand der Spule 161 in 2 hin, also radial nach außen, auf zwölf.
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Hierbei wird die Spule gewickelt, indem die Windungen 1-154, die die Wicklungslagen 170-181 bilden, in Reihenfolge ihrer Nummerierung aufgebracht werden. Somit wird zunächst die innerste Wicklungslage 170, beginnend mit der Windung 1 und endend mit der Windung 17, gewickelt, wonach auf diese die zweite Wicklungslage 171 mit den Windungen 18-35 in umgekehrter Längsrichtung aufgebracht wird usw. Wie in 2 gut zu erkennen ist, wird eine orthozyklische Wicklung genutzt, bei der die Windungen 18-154 der äußeren Lage jeweils in einen Zwischenraum zwischen jeweils zwei Windungen der jeweils vorangehenden Wicklungslage 170-180 eigreifen, der aufgrund der runden Form des Spulendrahtes resultiert.
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Problematisch ist bei solchen Spulenformen, dass die Wicklung der Spule mit der Windung 154 in der äußersten Wicklungslage 181 endet, wobei diese Wicklungslage ausschließlich im bezüglich des Rotors radial äußeren Bereich der Spule 161, also an dem von der Rotorwelle abgewandten Längsende der Spule, angeordnet ist. Da ein Weiterführen des Spulendrahtes zu Anschlüssen oder einer weiteren mit dem gleichen Spulendraht gewickelten Spule jedoch typsicherweise bezüglich des Rotors radial innerhalb der Spulen 161 im Bereich des Jochs 166 erfolgen soll, muss der Spulendraht radial zurück nach innen geführt werden. Würde der Spulendraht unmittelbar nach Abschluss der Windung 154 radial nach innen geführt, würde dies jedoch dazu führen, dass auf die Windung 154 eine Kraft nach unten in 2 wirkt, was zu einem Verrutschen dieser Windung 154 und der vorangehenden Windungen führen kann.
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Um dieses bei herkömmlichen Wicklungsschemata auftretende Problem zu vermeiden, wird in der Spule 161 ein modifiziertes Wicklungsschema genutzt, bei dem in den Wicklungslagen 177 und 181 jeweils zwei unmittelbar aufeinander folgende Windungen 127 und 128 bzw. 152 und 153 in Längsrichtung voneinander beabstandet aufgebracht werden, indem beim Wickeln dort ein größerer Abstand der Drahtmitten des Spulendrahts genutzt wird. Hierdurch wird eine jeweilige Lücke 183, 184 gebildet, wobei die Beabstandung der Windungen 127 und 128, 152 und 153 derart gewählt wird, dass die Breite 185 der Lücke zumindest gleich dem Drahtdurchmesser 186 des Spulendrahtes 169 ist. Um ein Rückführen des Drahtes zu dem Ende 158 der Spule zu ermöglichen, ohne dass dies zu einer Verschiebung von vorangehend aufgebrachten Windungen 1 - 154, insbesondere der letzten Windung 154, führt, wird der Spulendraht 169 nach dem Aufbringen der letzten Windung 154 nacheinander durch diese Lücken 183, 184 geführt, womit der Spulendraht 169 im Rahmen der Rückführung zum Ende 158 der Spule 161 durch wenigstens eine der Windungen, die an die jeweilige Lücke 183, 184 angrenzen, gestützt wird.
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Im gezeigten Beispiel wird der Spulendraht nach dem Aufbringen der Windung 154 in die Lücke 183 eingelegt, wie durch den Pfeil 159 in 2 dargestellt ist. Hierbei wird der Spulendraht im Rahmen der Führung zur Lücke 183 vorzugsweise maximal einmal um die Längsachse 182 der Spule 161 geführt. Der Spulendraht wird dann über eine gewisse Länge, beispielsweise für eine halbe Windung um die Längsachse 182, in der Lücke 183 geführt, womit ein gestützter Drahtabschnitt 155 in der Lücke resultiert. Anschließend wird der Spulendraht 169 zu der Lücke 184 geführt und dort wiederum eingelegt, sodass dort ebenfalls ein gestützter Drahtabschnitt 156 resultiert. Der Verbindungsabschnitt 160, der die gestützten Drahtabschnitte 155, 156 verbindet, umläuft die Längsachse 182 der Spule maximal einmal, beispielsweise maximal ein halbes Mal.
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Der gestützte Drahtabschnitt 156 ist wiederum mit einem Spulenendabschnitt 157 des Spulendrahtes 169 verbunden, der sich zu dem Ende 158 der Spule 161 in die Längsrichtung erstreckt und hierbei die Längsachse der Spule maximal einmal, beispielsweise ein halbes Mal, umläuft.
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Während bei der gezeigten Spulengeometrie die Nutzung von zwei Lücken 183, 184 vorteilhaft ist, kann es bei anderen Spulengeometrien, beispielsweise wenn die äußerste der Wicklungslagen radial nach außen gewickelt ist, sodass die letzte Windung durch die Wicklungslage selbst abgestützt ist, auch ausreichend sein, nur eine Lücke bzw. einen gestützten Drahtabschnitt vorzusehen. Andererseits kann es bei bestimmten Spulengeometrien auch vorteilhaft sein, mehr als zwei Lücken und gestützte Drahtabschnitte zu nutzen, um den Spulendraht an eine gewünschte Position, insbesondere zum Ende der Spule, zu führen.
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In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Tiefe der Lücke im Wesentlich identisch zum Drahtdurchmesser 186 des Spulendrahtes 169. Insbesondere wenn ein an den gestützten Drahtabschnitt 155, 156 anschließender Drahtabschnitt, beispielsweise der Verbindungsabschnitt 160 oder der Spulenendabschnitt 157, über große Entfernungen parallel und/oder senkrecht zur Längsachse 182 geführt werden soll, also beispielsweise wenn eine große Anzahl von Wicklungslagen 170-181 übersprungen werden soll, kann es gewünscht sei eine tiefere Lücke und somit eine noch robustere Abstützung zu erreichen. Eine Möglichkeit hierfür ist in 3 dargestellt, die eine Detailansicht einer geringfügigen Abwandlung der in 2 gezeigten Spule 161 zeigt. Hierbei ist ausschließlich der Aufbau der äußersten drei Wicklungslagen 179-181 dargestellt, da der weitere Aufbau identisch zu dem in 2 gezeigten Aufbau ist.
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Wesentlich ist, dass in zwei benachbarten Wicklungslagen 180, 181 an der gleichen Position in Längsrichtung der Spule 169 jeweils zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Windungen, nämlich die Windung 147 und 148 bzw. 150 und 151, in Längsrichtung voneinander beabstandet sind. Somit wird durch die Wicklungslagen 180 und 181 gemeinsam eine tiefere Lücke 183` gebildet, durch die der gestützte Drahtabschnitt 155 gestützt werden kann. Selbst falls der Drahtabschnitt 155 ein gewisses Spiel radial nach außen aufweist, kann er somit die Lücke 183` nicht verlassen und ist robust gesichert. Dies kann es unter Umständen ermöglichen, den Spulendraht direkt aus der Lücke 183' zum Spulenende 158 zu führen, sodass unter Umstanden auf die weitere Lücke 184 verzichtet werden kann, wenn statt der Lücke 183 die tiefere Lücke 183` genutzt wird.
