WO2019091652A1 - Statorwicklung mit erhöhter leistungsdichte - Google Patents

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WO2019091652A1
WO2019091652A1 PCT/EP2018/075555 EP2018075555W WO2019091652A1 WO 2019091652 A1 WO2019091652 A1 WO 2019091652A1 EP 2018075555 W EP2018075555 W EP 2018075555W WO 2019091652 A1 WO2019091652 A1 WO 2019091652A1
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stator
individual
conductor
axial
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PCT/EP2018/075555
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Michael Frank
Jörn GRUNDMANN
Markus Wilke
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a stator for an AC electric machine, wherein the stator has a stator winding arranged around a central axis with a plurality of conductor windings, wherein these conductor windings are grouped into a plurality of electrical strands and wherein the stator winding comprises a plurality of winding layers having. Furthermore, the invention relates to an electrical machine with such a stator.
  • Iron yoke arranged. These straight sections are then connected in their axial end regions by means of so-called winding heads, wherein the straight sections of the individual windings are bridged in the circumferential direction by the winding heads, wherein a change between the individual winding layers often takes place.
  • winding heads A disadvantage of such a classic ⁇ 's geometry that this winding heads on the one hand make a high contribution to the weight of the total weight of the stator and on the other hand, difficult to cool and are also difficult to manufacture.
  • the winding heads also have a large footprint, especially in the axial direction, which increases the overall volume of the electric machine and thus makes a larger housing necessary.
  • the object of the invention is therefore to provide a stator for an electric alternating current machine, which overcomes the ⁇ called disadvantages.
  • a stator with a stator winding is to be made available in which the space requirement of the winding heads, especially in the axial direction, is as small as possible. As a result, an overall increased power density is to be achieved.
  • Another The object is to provide an electrical machine with such an improved stator.
  • the stator according to the invention is designed as a stator for an electrical ⁇ specific alternator.
  • the stator comprises a stator winding arranged around a central axis with a plurality of conductor windings, these conductor windings being grouped into a plurality of n electric strands.
  • the stator winding has a plurality m of winding layers.
  • the conductor windings of a strand each have a plurality i of axially oriented conductor legs, which are connected in pairs in their two axial end regions by two winding heads, so that a plurality k of individual coils is formed for each strand.
  • both the sequence of the axial conductor limbs of the respective strands and the distribution of the individual coils on the individual winding layers are selected so that crossings within the individual winding layers are avoided in the region of the winding heads.
  • stator winding is not formed here as a distributed winding in the classical sense (in which often each winding group is made by winding an extended conductor "in one piece" over many axial legs and many winding heads.) Instead, it is made up of a plurality of Single coil composed similarly to a loop or coil winding teeth. Each strand comprises a plurality of such individual coils, which, in particular un ⁇ behind the other electrically connected to a winding group are connected. These discrete individual coils can be present in particular as prefabricated components, which are only electrically connected to each other after ⁇ technisch. The presence of discrete individual coils within each winding group allows in conjunction with the other features of the invention a particularly compact design of the winding ⁇ heads.
  • the number n of strands may in particular be three or an integer multiple of three.
  • the structure may be such that in the axially inner region of the machine in which the axial conductor legs are arranged, only one strand is represented by one or more associated conductor legs for each predetermined angle
  • azimuthal gaps may also be present, and as the azimuthal angles pass through one another in the circumferential direction, the occupation of individual strands alternates in a predetermined recurring order, but a given strand is not specific to a particular winding limited position, but the ladder limbs of the respective strand can be distributed in a given azimuthal position on several layers and / or the occupation of the layers can for a given Strand at different azimuthal angles between different layers back and forth.
  • some azimuthal angles can include several strands (overlapping from different positions). Such overlapping areas can in particular alternate with other azimuthal areas in which only one strand is represented as described above. Even in such a case with an azimuthal overlap of the strands, however, intended to apply generally, that the Erasmusnfol ⁇ ge the occupation of angular positions with the individual
  • Strands in a regularly recurring pattern changes. Again, within the recurring pattern of strand occupations, layer shifts between the individual coils of a strand should not be ruled out, as will become more apparent in connection with the later examples.
  • the individual coils are arranged next to each other on their associated azimuthal positions within each winding layer and do not penetrate or overlap within the respective position.
  • An overlap of the individual coils results in each case only when a joint view of several superimposed winding layers. This is achieved in the ⁇ particular by the fact that is not populated within a given winding position of the region between the two axial conductor legs of a given single coil by the axial conductor leg other individual coils.
  • the additional advantage is achieved here, that the winding heads can be made very compact, especially in the axial direction, since no additional axial length must be provided for three times ⁇ different strands within a winding layer three-dimensional to pass each other.
  • the winding heads can be executed within their respective associated location with a relatively small bend radius and a comparison example ⁇ short axial length of the winding head ⁇ the.
  • the machine as a whole can be made comparatively compact (and in particular axially short), which in turn enables a comparatively high power density of the machine.
  • the electric machine according to the invention is a change ⁇ current machine with a stator according to the invention.
  • the advantages of the machine according to the invention are analogous to the above-mentioned advantages of the stator according to the invention.
  • all the individual coils are in each case completely within a ⁇ them depending wells associated winding position.
  • a change of the winding layer is thus not only in the range of Wi ⁇ ckelkée, but in the range of the entire single coil. avoided.
  • Such an embodiment is generally particularly suitable for achieving a compact winding structure with the simplest possible construction of the individual coils. Intersections and superpositions of circuit branches in a situation avoided altogether, since only this each uniquely associated with a ⁇ zelspulen are arranged in the circumferential direction next to one another in each winding layer.
  • the individual coils can advantageously be designed in each case as saddle coils, in other words, the individual coils can be curved out of a flat coil plane, at least in some areas.
  • These saddle-shaped coils can in particular be shaped so that they are each adapted to the contours ei ⁇ nes cylinder segment. In particular, they may each be shaped such that they lie between two concentric ⁇ rule circular hollow cylinders. The area between these two hollow cylinders then defines the corresponding cylinder-jacket-shaped winding layer with a entspre ⁇ sponding radial ply thicknesses.
  • an axial leg of this single coil overlaps seen in radial projection with an inner region of another single coil, said other single coil in another winding position ange ⁇ is orders.
  • the inner region of a single coil - that is to say the region which lies between two axial limbs - is generally referred to here as the "eye" of a coil, which is particularly advantageous in connection with the present invention
  • each individual coil also overlaps with at least one axial limb from another winding layer.
  • this type of overlap (again in radial projection) can be advantageously achieved that a complex winding topology with a complex zone sequence - in particular a frequent change of the occupation of the azimuthal positions with individual Strands - can be achieved while avoiding crossovers within a winding layer.
  • the stator winding can be configured as Lucasspalt- winding.
  • Such an air gap winding is thus not embedded in grooves of an iron core or other soft magnetic material. It is instead arranged in the air gap region of the machine.
  • Such air ⁇ -gap windings in the stator are especially advantageous when the magnetic fields generated during operation of the machine are so strong that it would come in a conventionally designed machine to saturation of the soft magnetic flux conducting stator material. This is the case especially when combined ⁇ hang with superconducting rotor windings.
  • a further advantage of using stator windings designed as air gap windings is that the space and weight contribution of a conventional flux guiding structure are saved. As a result of the omission of the soft-magnetic teeth between the axial conductor legs, a higher filling factor of the winding can be achieved in principle.
  • stator winding has support structures which extend similar to the Klassi ⁇ rule stator teeth in the radial direction and which are arranged azimuthally between the individual axial limbs of the winding. Such support structures can extend radially over a plurality of winding
  • the ⁇ be written radial support structures are formed of soft magnetic material and, therefore, can act as the teeth of a stator yoke.
  • it is at such teeth but only by very narrow teeth, which are therefore designed significantly narrower in the circumferential direction as a classic stator teeth ⁇ .
  • a "minimum stator teeth" have in the azimuthal direction has a width which is substantially gerin- ger than the azimuthal width of the individual axial Lei ⁇ terschenkel.
  • the width of the stator teeth is at most one fifth, in particular even only Hoch ⁇ least one
  • the specified maximum widths can also apply analogously to the support structures of non-magnetic material described above.
  • the axial limbs of the individual individual coils are distributed over a regular occupation pattern of radial and azimuthal positions.
  • there may be a regular two-dimensional pattern which may conveniently be represented as an arrangement of occupied and unoccupied positions in polar coordinates.
  • the occupied positions are in a characteristic arrangement through the axial
  • the pattern of the occupation positions for the individual strands is a pattern of occupied and unoccupied positions, these patterns being based on a regular grid of radial positions (ie, winding layers) and azimuthal positions.
  • This pattern can in particular have as a whole a Sym ⁇ geometry.
  • the pattern can repeat itself in the circumferential direction after a certain angle - in other words, there is then a rotational symmetry.
  • Be ⁇ particularly advantageous may be a twofold rotational symmetry, so that a rotation of 180 ° transferred the cast pattern in itself. Basically, however, a as revolution rotational symmetry is possible (with geradzah ⁇ liger or odd denticity). highlight is that this need not necessarily be a Spiegelsymmet ⁇ rie. In particular, there may advantageously be a double and / or higher rotational symmetry without a plane of symmetry existing for the population pattern.
  • the regular staffing pattern preferably has a number of unoccupied positions.
  • there are gaps in the regular grid ie individual positions of the grid with azimuthal and radial coordinates which are not occupied by an axial leg of an individual coil.
  • gaps can arise in that - seen in radial projection - the eyes of certain individual coils overlap with the longitudinal legs of other individual coils, but that as described above, a penetration of the coils is avoided by avoiding other winding layers.
  • This evasion inevitably creates gaps in the cast pattern.
  • each of the winding layers may have one or more such gaps.
  • vorlie ⁇ gen for each azimuthal position of the grid one or more gaps. This configuration is especially advantageous for a fully pitched winding.
  • the proportion of unoccupied positions may be 50% or even higher in order to avoid the spatial overlap of the individual coils within a winding layer.
  • the percentage of unoccupied positions may be even larger.
  • the filling factor of the winding is then optionally only at most 50%, since even more losses in the fill factor - in ⁇ example by support structures - can be added.
  • the loss of fill factor through the vacant positions may also be less than 50% because the width of the individual zones may be increased over the width of the gap therebetween.
  • one or more coolant channels can be arranged in each case in the region of the unoccupied positions described.
  • Such coolant channels can be used to cool the stator winding particularly effectively with a fluid coolant that flows through them. This is the case, for which the invention is indeed just particularly relevant in particular in machines with very high power density ⁇ .
  • a cooling of the winding by attaching cooling channels between the individual conductor legs is in any case expedient anyway.
  • the vacant positions can be used particularly advantageous for such cooling channels.
  • the stator winding can be structured into associated pairs of winding layers, for example, for one given azimuthal position, one winding layer is always occupied and the other winding layer of the same pair is unoccupied.
  • the avoidance described above overlapping individual coils is achieved in different winding layers and a total of half of the existing positions remains unoccupied.
  • the associated pairs of winding layers are not necessarily arranged radially adjacent.
  • the winding heads of the individual coils can each be made approximately U-shaped. Under such a form is not only a U-shape in the strict
  • connection region can in particular also have a connecting leg, which is connected via two rounded corners with the axial legs.
  • a connecting leg can (as well as the semicircular arc) be curved overall so that it simulates the contours of a cylindrical jacket-shaped winding layer and thus comes to rest within such a position.
  • the winding heads have a total of a particularly short axial extent.
  • the smallest radius of curvature of the conductor, which occurs in the region of a winding head can generally be below 500 mm, in particular below 100 mm or even below 10 mm, for example in a range between see 1 mm and 50 mm.
  • Such a low radius of curvature are generally made possible for a stator winding according to the present invention in that penetration and overlapping of individual coils within a layer are avoided and therefore the individual conductors do not have to be guided past each other by projecting conductor paths in the winding heads.
  • each winding head is advantageously only a connection of two axial conductor legs, which are arranged within a common winding layer and in this winding layer adjacent (that is not spaced by ladder legs of other strands) to each other.
  • the bending radius in the area of the winding heads is limited downwards advantageously only by the bending properties of the conductors and not by the avoidable penetration of the winding heads as in the prior art.
  • the conductors may, for example, be stranded conductors whose individual strands are made of copper or at least comprise copper.
  • the individual coils can generally be configured advantageously as saddle-shaped flat coils.
  • Spu ⁇ le is to be understood in the present context in which the width of the ladder legs within each winding layer is substantially greater than the height of the ladder legs (ie their thickness perpendicular to the local orientation of the winding layer).
  • the width of the conductor legs at least twice as large and in particular even be at least five times as large as their height.
  • the formation of the individual coils as flat coils is generally advantageous in order to achieve a mechanically stable winding association in conjunction with the described ⁇ distribution distribution of the winding on several winding layers and the special arrangement in which unoccupied positions cross-overs within the layers is avoided.
  • a sol rather winding bandage can particularly advantageously be carried out mechanically stable oh ⁇ ne stator or other radial support structures.
  • the positions of the grid not occupied by conductor branches can be filled by correspondingly shaped other structures in order to provide additional mechanical support.
  • These filling structures may, for example, be non-conductive and / or optionally comprise coolant channels.
  • the flat shape of the coils described here is also electromag- netisch advantageous, since such a distributed winding with a number of holes greater than 1 can be modeled.
  • a winding with narrow in the azimuthal direction and highly trained in the radial direction coils behaves more like a concentrated winding with a number of holes of 1 and would have a disadvantageously high content har ⁇ monischen winding harmonics.
  • the stator winding can be designed, for example, as an unwanted winding.
  • a so-called the peripheral of the stator winding into individual azimuthal regions can be adhered to "pure Zo ⁇ nenschema" advantageous in which is divided the one occupied from ⁇ selected strand only with ladder legs (and also have the vacant gaps).
  • pure Zo ⁇ nenschema advantageous in which is divided the one occupied from ⁇ selected strand only with ladder legs (and also have the vacant gaps).
  • there is no superimposition of conductor legs of different strands within a given circumferential position according to the other features of the present invention, a novel stator winding can be provided, but which in its zone plan coincides with the zone plan of a conventional stator winding in the slots of stator teeth.
  • Stator winding but also designed as a stretched winding.
  • a Sehnung the winding can be achieved for example by an offset in the circumferential direction between the individual winding layers.
  • superimposed conductor legs which are common to one another
  • a "slight offset” may suitably be chosen to be smaller than the lowest azimuthal distance between adjacent axial conductor legs within a winding layer Alternatively or in addition to such an azimuthal offset, however, a chord may also be achieved in that the azimuthally adjacent zones of a winding layer be chosen wide wide.
  • the unoccupied positions can be designed with a smaller width than the occupied positions, which, unlike unlidened winding allows a slightly improved fill factor.
  • the individual coils of a respective strand in one or both axial end regions can be electrically connected to one another to form a higher-order winding group.
  • Such an electrical connection can be realized for example via a so-called switching ring.
  • the stator may preferably be designed so that its axial length (including the winding heads) is shorter than the outer diameter of the stator.
  • the behaves ⁇ nis between the axial length and outer diameter can be even smaller than 0.4.
  • the electric machine may also have a rotor which is designed to generate a magnetic field with p poles.
  • a rotor which is designed to generate a magnetic field with p poles.
  • the described advantages of the inventive stator are particularly effective.
  • such a rotor can be equipped with a superconducting field winding.
  • Such a design is particularly advantageous in order to achieve a very high power density with the machine.
  • the electric machine is generally advantageously designed for a nominal power of at least 2 MW, in particular even at least 5 MW. Alterna tively ⁇ or additionally, it can advantageously have a power density of at least 10 kW / kg, in particular even at least
  • kri ⁇ table is the power density of electric machines in aircraft. Regardless of the exact application of the machine, this can generally be operated either as a motor and / or as a generator. Particularly advantageous, the machine can be designed as a synchronous machine.
  • the magnetic pole number p of the electrical machine can advantageously be between 2 and 12, in particular between 6 and 12 and particularly advantageously at exactly 8. Such an embodiment is particularly advantageous in order to achieve a high Leis ⁇ tung density.
  • the preferred range results from the fact that, on the one hand, the radial air gap field and thus the induced voltage decrease as the number of poles increases, but on the other hand, as the number of poles increases, the electrical frequency increases at the same speed.
  • the second effect increases the induced voltage, so that IMP EXP ⁇ together in typical geometries results in an optimum for the performance within the ranges mentioned.
  • there are other effects for example, that at small Polzah ⁇ len a larger yoke thickness must be selected, which in turn affects the weight. Such factors also determine the preferred number of poles for optimum power density.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a part
  • FIG. 2 shows an illustration of a part of the stator winding from the machine of FIG. 1,
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a part
  • FIG. 4 shows a section for an angular segment of the machine of FIG. 3,
  • Figure 5 shows an axial plan view of the stator of the machine of Fi gur ⁇ 3
  • Figure 6 is a three-dimensional schematic representation of a
  • FIG. 7 shows a three-dimensional schematic representation of a single saddle-shaped flat coil
  • FIG. 8 shows a projection of a part of a flat coil in comparison with the projection of a conventional stator winding
  • FIG. 9 shows a section of a winding diagram of a stator winding according to a second exemplary embodiment
  • Figure 10 shows a portion of a winding diagram of a Sta ⁇ torwicklung according to a third embodiment
  • Figure 11 shows a portion of a winding diagram of a Sta ⁇ torwicklung according to a fourth embodiment
  • Figure 12 shows a portion of a winding diagram of a Sta ⁇ torwicklung according to a fifth embodiment.
  • FIG. 1 shows a section of an electrical machine 1 according to the prior art in a schematic cross-section. Shown is a 90 ° angle segment in a sectional plane which is perpendicular to the central axis A of the machine.
  • the electrical Maschi ⁇ ne 1 has an interior, around the central axis A rotatably mounted rotor. 11
  • This rotor 11 is equipped with a plurality of field windings 12, of which two poles are shown by way of example here. They are used to from ⁇ formation of an excitation field of the electric machine.
  • the inner rotor is surrounded radially by a stationary Sta ⁇ tor 3.
  • Both rotor and stator here have a circular cylindrical basic shape.
  • the stator includes an external OHCOdes cylinder jacket-shaped iron yoke 5 assay t ⁇ rendes element. Between the iron yoke 5 and the rotor 11 there is an air gap 6 in which also the Sta ⁇ torwicklung 4 of the stator 3 is arranged herein. It is therefore a so-called air gap winding, which is not arranged azimuthally between magnetic structures.
  • the stator winding 4 comprises a plurality of windings 8i, of which 24 are shown in the form of their axially extending conductor legs in the illustrated cutout.
  • stator winding 4 of Figure 1 has two winding layers 4a and 4b, over which the individual axia ⁇ len conductor legs 21 are distributed. This is a radially inner base 4a and a radially outer lying upper ⁇ layer 4b.
  • the conductor branches of a jewei ⁇ term strand are connected to each other electrically to a parent winding group. Within such a winding group switch over the circumference of the stator winding 4 viewed regions of different current flow ⁇ direction from each other.
  • a so-called ungesehnte winding in which seen in the circumferential direction 35i successive different azimuthal Positi ⁇ ones, wherein each of these positions only is each associated with a particular string and a predefined current flow direction.
  • the conductor legs identified together with + u form the leads of the electrical string u.
  • the return conductor of the electric train see u make for the respective associated azimuthal positi ⁇ on.
  • the so-called zoning scheme of the electric machine specifies in which characteristic pattern the conductors and Return conductors of the individual strands are distributed over the grid of the azimuthal positions and the winding layers.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a part of the stator winding 4 from the machine of FIG. 1.
  • the representation of FIG. 2 is a simplified two-dimensional representation of the winding, in which the winding, which in reality is circular-cylindrical, is "unrolled" on a planar plane. was. This plane is correspondingly clamped by the two direction coordinates of the axial direction a and the angular 24th not only components are shown that are exactly in the Pa ⁇ pierebene. It is rather a projec ⁇ on the components 2 and 4b.
  • the illustrated part of the winding 4 comprises two
  • Adjacent thereto is an axial end region 17, in which the mutually associated conductor legs are connected to one another via winding heads 23, wherein these winding heads also bridge the layer spacing.
  • the winding step 29 to be bridged by this connection is six times the slot pitch 28.
  • a relatively large angle ⁇ is present here necessary.
  • the minimally necessary angle ⁇ becomes even more in the example shown increased by the fact that in the winding heads 23 an isolation distance 27 between the individual conductors must be maintained.
  • Figure 3 shows a schematic cross section of an electrical machine 1 according to a first embodiment of the inven ⁇ tion. Shown is a section perpendicular to the centra ⁇ len axis A of the machine as well. This machine also has an internal rotor 11 and a stator 3 surrounding it radially. The rotor can be designed similarly to the rotor of the conventional machine of FIG. 1. It can be designed, for example, as illustrated, to form an eight-pole electromagnetic exciter field.
  • the electrical machine of Figure 3 has a cylinder surface were telförmiges outboard stator yoke 5, which radially surrounds the Sta ⁇ torwicklung 4 in the range shown as a flux-guiding element.
  • the area shown is an axially inner ⁇ lying part of the winding 4, that is, the area in which the axially extending conductor legs 21 of the winding are arranged.
  • the winding heads are not angeord ⁇ th, axially outer regions angeord ⁇ net, which connect the individual conductor legs of the individual Strän ⁇ ge to parent winding group.
  • the stator winding 4 according to this first embodiment has 4 winding layers 33a, 33b, 33c and 33d, over which the individual axial Lei ⁇ thighs 21 are distributed according to a regular pattern. Similar to the machine of Figure 1 is also here Stator winding 4 in 3 electrical strands u, v and w divided ⁇ .
  • the stator winding 4 is divided into a grid of discrete azimuthal positions 35i, each of these positions being associated with one of the three electrical strands u, v or w and, in particular, either the headers + u, + v and + w, respectively or the return conductors - u, -u or -w of the respective strand is assigned.
  • the three strands alternate in recurring order in the circumferential direction (ie always u, v, w, u, v, w and so on).
  • Zone plan is thus analogous to the winding of Figure 1.
  • a given strand ie, for example u
  • this stator winding is not formed, in contrast to the coil of Figure 1 as a distributed winding, but that it is composed of individual coil ⁇ .
  • two axial legs of a given strand via two winding heads are connected to form an annular single coil.
  • each of these individual coils is arranged in only one associated winding position (ie only in 33a, 33b, 33c or 33d).
  • both the axial conductor legs and the winding heads of each individual coil lie within this assigned position.
  • the two axial conductor legs, which belong to a single coil not in adjacent azimuthal positions of the winding.
  • the forward conductor represented + u -u with the illustrated return conductors connected to a common single coil within the inner ⁇ most location 33a and also within the outermost layer 33d. From the forward conductor + u, however, the return conductor -u is only in the over-next azimuthal position.
  • FIG. 5 shows an axial plan view of the stator in one of the axial end regions.
  • a section through an area is shown in which the winding heads of the individual coils run and connect the longitudinal limbs associated with one another in each case.
  • the individual coils are designed as flat coils 31, which lie in each case only within one of the four winding layers. Again, the affiliation of these individual flat coils 31 to the 3 electrical strands u, v and w is characterized by different hatching.
  • FIG. 6 also shows a schematic three-dimensional representation of the same stator winding 4, as shown in the sectional views of FIGS. 3, 4 and 5. Shown here is the sake of clarity, only one half of the winding, which is thus halved perpendicular to the axis.
  • the individual coils 31 are out ⁇ staltet as saddle-shaped flat coil which is adapted to the cylinder jacket-shaped geometry of each winding layer. A geometric overlap of these individual saddle coils results due to the special arrangement only in radial projection, but not within each considered position.
  • Figure 7 shows a schematic three-dimensional view of a single saddle-shaped flat coil 31.
  • This flat coil as a whole is not planar, but is adapted to the contour of their zylin ⁇ dermantelförmige winding layer. It comprises two axially extending conductor legs 21, wel ⁇ che in the two axial end regions 17 are connected to each other by winding heads 23a. All of these conductor sections have a flat cross-sectional shape in which the width
  • the cross section 37 of the conductor legs is greater than the thickness 39 of the conductor legs (ie the thickness in the direction of the thickness of the winding layer). Contrary to the impression which may arise due to the perspective distortion of FIG. 7, the cross section should be constant both in size and in shape for all legs of the individual coil.
  • FIG. 8 shows a projection of a part of a flat coil 31, as can be used in a stator according to the invention, in an analogous representation to FIG. 2. Shown is the axial end region 17 of the flat coil 31, in other words the region in which the two axial conductor leg 21 of such a coil in the associated winding head 23a pass.
  • the middle leg of the U-shape has a longer straight portion, of two flanked by rounded corners.
  • Such a configuration is not necessarily northeast ⁇ kind, but may be particularly advantageous to keep the extension of the winding head in the axial direction a particularly small.
  • FIG. 9 shows a section of a winding diagram of a stator winding according to a second embodiment of the invention.
  • a winding diagram shows the occupation of the individual azimuthal positions 35i and of the individual winding layers of the cylinder-jacket-shaped stator winding in a "rolled-out" form
  • FIG. 9 does not show the complete winding diagram for the machine according to the second exemplary embodiment but only a 90.degree. 9 shows only two winding layers 33a and 33b, except for the absence of the two outer layers 33c and 33d but corresponds to the winding diagram of Figure 9 the winding diagram of Figure 4 . the same should also apply to the continuation of the section of the winding scheme shown here.
  • the corresponding space can be used, for example, for the arrangement of flat cooling channels 43, wherein advantageously each such cooling channel radially adjacent to a be ⁇ set position (ie, an axial conductor leg 21).
  • a plurality of such cooling channels 43 can be guided within an unoccupied position 41.
  • the vacant positions can also be filled with other flat filling elements 44, one of which is shown by way of example in FIG. Such filling elements can in turn also be penetrated by individual cooling channels 43.
  • FIGs 10 to 12 show further exemplary Variatio ⁇ NEN of winding schemes for a corresponding 90 ° -Off- are cut of the winding shown: Sun, 10 shown in FIG part of a winding diagram for a stator with six elec ⁇ trical strands ul, u2, vi, v2, wl and w2.
  • the stator winding is distributed in comparison to Figure 9 to twice the number of winding layers. Accordingly, there is an even higher number of vacant positions 41, namely 75% of the available seats in this example.
  • stator windings according to the present invention can also be designed as a stretched winding. This can be effected, for example, by an azimuthal offset between the winding layers and / or by a change in the zone width, similar to the prior art.
  • Figure 11 shows a entspre ⁇ sponding pitch winding, which results from the winding of Figure 9 by an azimuthal offset of the individual occupied zones.
  • FIG. 12 shows another example of a stretched winding in which the zones occupied by electrical strands are widened in comparison to the example of FIG. 9. This results in an advantageous increase of the filling factor of the winding against ⁇ over the present in the scheme of Figure 9 maximum 50%.

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Abstract

Es wird ein Stator (3) für eine elektrische Wechselstrommaschine (1) angegeben, - wobei der Stator (3) eine um eine zentrale Achse (A) angeordnete Statorwicklung (4) mit einer Mehrzahl von Leiterwindungen aufweist, - wobei diese Leiterwindungen zu einer Mehrzahl n elektrischer Stränge (u,v,w) gruppiert sind, - wobei die Statorwicklung (4) eine Mehrzahl m von Wicklungslagen (33a,33b,33c,33d) aufweist - wobei die Leiterwindungen eines Strangs (u,v,w) jeweils eine Mehrzahl i von axial ausgerichteten Leiterschenkeln (21) aufweisen, welche in ihren beiden axialen Endbereichen (17) paarweise durch jeweils zwei Wickelköpfe (23a) miteinander verbunden sind, so dass für jeden Strang (u,v,w) eine Mehrzahl k von Einzelspulen (31) gebildet ist, - wobei in Umfangsrichtung betrachtet die axialen Leiterschenkel (21) der einzelnen Stränge (u,v,w) in gleichbleibender Reihenfolge abwechselnd aufeinanderfolgen, - wobei die beiden Wickelköpfe (23a) einer gegebenen Einzelspule (31) innerhalb einer Wicklungslage (33a,33b,33c,33d) verlaufen - und wobei die Abfolge der axialen Leiterschenkel (21) der jeweiligen Stränge (u,v,w) und die Verteilung der Einzelspulen (31) auf die einzelnen Wicklungslagen (33a,33b,33c,33d) so gewählt sind, dass im Bereich der Wickelköpfe (23a) Überkreuzungen innerhalb der einzelnen Wicklungslagen (33a,33b,33c,33d) vermieden werden. Weiterhin wird eine Maschine (1) mit einem solchen Stator (3) angegeben.

Description

Beschreibung
Statorwicklung mit erhöhter Leistungsdichte Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Wechselstrommaschine, wobei der Stator eine um eine zentrale Achse angeordnete Statorwicklung mit einer Mehrzahl von Leiterwindungen aufweist, wobei diese Leiterwindungen zu einer Mehrzahl elektrischer Stränge gruppiert sind und wobei die Statorwicklung eine Mehrzahl von Wicklungslagen aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator.
Nach dem Stand der Technik sind typische Statorwicklungen der eingangs genannten Art meist als verteilte, ungeschrägte
Wicklungen ausgeführt, in denen eine Vielzahl von axial orientierten Leiterschenkeln vorliegt, die den wesentlichen für die elektrische Induktion wirksamen Teil der Wicklung ausmachen. Diese axialen Leiterschenkel sind häufig auf mehrere Wicklungslagen verteilt und typischerweise in Nuten eines
Eisenjoch angeordnet. Diese geraden Abschnitte werden dann in ihren axialen Endbereichen durch sogenannte Wickelköpfe verbunden, wobei durch die Wickelköpfe die geraden Abschnitte der einzelnen Windungen in Umfangsrichtung überbrückt werden, wobei häufig auch ein Wechsel zwischen den einzelnen Wicklungslagen stattfindet. Nachteilig bei einer solchen klassi¬ schen Geometrie ist, dass diese Wickelköpfe einerseits einen hohen Gewichtsbeitrag zum Gesamtgewicht des Stators leisten und andererseits schwer zu kühlen und auch schwer zu fertigen sind. Die Wickelköpfe haben auch einen hohen Platzbedarf, insbesondere in axialer Richtung, was das Bauvolumen der elektrischen Maschine insgesamt vergrößert und somit auch ein größeres Gehäuse nötig macht. Besonders weit ausladende Wi¬ ckelköpfe liegen oft dann vor, wenn die Biegeradien der vor- liegenden Leiter nicht besonders klein gewählt werden können und/oder wenn viele Leiter mit einem großen Wickelschritt (einem großen durch den Wickelkopf zu überbrückenden Umfangs- bereich) aneinander vorbei geführt werden müssen. Auch die Dicke der Leiterisolation und gegebenenfalls vorliegende Kühlkanäle zur Kühlung der Wicklung können zu einem großen Platzbedarf für die Wicklungsköpfe beitragen. Auch die elektrischen Verluste einer Maschine mit großen Wickelköpfen sind unvorteilhaft hoch, da hier ein großer Anteil an für die Induktion nicht genutztem Leitermaterial vorliegt, welches aber zu den ohmschen Leitungsverlusten beiträgt. Um eine Maschine mit hoher Leistungsdichte zu erreichen, ist es daher allge¬ mein vorteilhaft, die Wickelköpfe möglichst kompakt zu ge- stalten.
Andererseits hat es sich gezeigt, dass eine Optimierung der Leistungsdichte einer Maschine allein aufgrund von zweidimen¬ sionalen Überlegungen (also ohne die Berücksichtigung der dreidimensionalen Ausgestaltung der Wicklungsköpfe) häufig zu Bauformen mit vergleichsweise großen Durchmessern und entsprechend kurzer axialer Länge führt. Gerade bei kurzen axia¬ len Baulängen und großen Durchmessern treten aber zwei ungünstige Effekte im Zusammenhang mit den Wicklungsköpfen auf: einerseits tragen die Wicklungsköpfe dann überdurchschnitt¬ lich stark zur gesamten Leitermenge des Stators bei und ande¬ rerseits ist ihr Beitrag zum Drehmoment, verglichen mit dem geraden, axialen Teil der Wicklung, besonders niedrig. Damit wirken sich die großen Wicklungsköpfe hier besonders negativ sowohl auf die Massenbilanz als auch auf die Verlustleis¬ tungsbilanz aus. Ebenso ist mit den großen Wicklungsköpfen eine große WickelkopfStreuinduktivität verknüpft, welche wei¬ tere negative Auswirkungen auf das elektromagnetische Verhal¬ ten der Maschine hat.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stator für eine elektrische Wechselstrommaschine anzugeben, welcher die ge¬ nannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Stator mit einer Statorwicklung zur Verfügung gestellt werden, bei welcher der Platzbedarf der Wicklungsköpfe, vor allem in axialer Richtung, möglichst klein ist. Hierdurch soll insgesamt eine erhöhte Leistungsdichte erreicht werden. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einem derartig verbesserten Stator anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Stator und die in Anspruch 14 beschriebene elektrische Ma¬ schine gelöst.
Der erfindungsgemäße Stator ist als Stator für eine elektri¬ sche Wechselstrommaschine ausgelegt. Der Stator umfasst eine um eine zentrale Achse angeordnete Statorwicklung mit einer Mehrzahl von Leiterwindungen, wobei diese Leiterwindungen zu einer Mehrzahl n elektrischer Stränge gruppiert sind. Die Statorwicklung weist eine Mehrzahl m von Wicklungslagen auf. Die Leiterwindungen eines Stranges weisen jeweils eine Mehr- zahl i von axial ausgerichteten Leiterschenkeln auf, welche in ihren beiden axialen Endbereichen paarweise durch jeweils zwei Wickelköpfe miteinander verbunden sind, sodass für jeden Strang eine Mehrzahl k von Einzelspulen gebildet ist. In Um- fangsrichtung betrachtet folgen dabei die axialen Leiter- Schenkel der einzelnen Stränge insgesamt abwechselnd auf¬ einander, und zwar in gleichbleibender Reihenfolge. Die beiden Wickelköpfe einer gegebenen Einzelspule verlaufen dabei innerhalb einer gemeinsamen Wicklungslage. Dabei sind sowohl die Abfolge der axialen Leiterschenkel der jeweiligen Stränge als auch die Verteilung der Einzelspulen auf die einzelnen Wicklungslagen so gewählt, dass im Bereich der Wickelköpfe Überkreuzungen innerhalb der einzelnen Wicklungslagen vermieden werden. Mit anderen Worten ist die Statorwicklung hier nicht als verteilte Wicklung im klassischen Sinn ausgebildet (bei der häufig jede Wicklungsgruppe durch Wickeln eines ausgedehnten Leiters „an einem Stück" über viele axiale Schenkel und viele Wickelköpfe hinweg hergestellt wird) . Stattdessen ist sie aus einer Vielzahl von Einzelspulen zusammengesetzt, ähnlich wie bei einer Schleifen- oder Zahnspulenwicklung. Jeder Strang umfasst mehrere solche Einzelspulen, welche insbesondere un¬ tereinander elektrisch miteinander zu einer Wicklungsgruppe verbunden sind. Diese diskreten Einzelspulen können insbesondere als vorgefertigte Bauteile vorliegen, welche erst nach¬ träglich elektrisch miteinander verbunden werden. Das Vorliegen diskreter Einzelspulen innerhalb jeder Wicklungsgruppe ermöglicht im Zusammenspiel mit den übrigen erfindungsgemäßen Merkmalen eine besonders kompakte Ausgestaltung der Wickel¬ köpfe. Dabei ist es wesentlich, dass für eine gegebene Ein¬ zelspule beide Wickelköpfe innerhalb einer gemeinsamen Wick¬ lungslage verlaufen. Dies soll auch bedeuten, dass auch jeder Wickelkopf für sich seine vorgegebene Wicklungslage nicht verlässt. Im Gegensatz zu typischen verteilten Wicklungen nach dem Stand der Technik wird hier also im Bereich der Wickelköpfe kein Lagenwechsel zwischen den zu verbindenden Lei¬ terzweigen bewirkt.
Die Anzahl n der Stränge kann insbesondere bei drei oder einem ganzzahligen Vielfachen von drei liegen.
Unter dem Merkmal, dass „in Umfangsrichtung betrachtet die axialen Leiterschenkel der einzelnen Stränge in gleichblei¬ bender Reihenfolge abwechselnd aufeinanderfolgen" soll verstanden werden, dass für verschiedene aufeinanderfolgende azimutale Winkel (über den ganzen Umfang des Stators hinweg) ein festes Muster von Strang-Besetzungen periodisch aufeinan- der folgt. Beispielsweise kann der Aufbau so sein, dass im axial innen liegenden Bereich der Maschine, in dem die axialen Leiterschenkel angeordnet sind, für jeden vorgegebenen Winkel immer nur höchstens ein Strang durch einen oder mehrere zugehörige Leiterschenkel vertreten ist. Zwischen diesen besetzten Positionen können gegebenenfalls auch azimutale Lücken vorliegen. Beim Durchlaufen der aufeinanderfolgenden azimutalen Winkel in Umfangsrichtung wechselt dann die Besetzung mit einzelnen Strängen in einer vorgegebenen, wiederkehrenden Reihenfolge ab. Ein gegebener Strang ist dabei jedoch nicht auf eine bestimmte Wicklungslage eingeschränkt, sondern die Leiterschenkel des jeweiligen Stranges können bei einer gegebenen azimutalen Position auf mehrere Lagen verteilt sind und/oder die Besetzung der Lagen kann für einen gegebenen Strang bei verschiedenen azimutalen Winkeln zwischen verschiedenen Lagen hin und her wechseln.
Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass für manche azi- mutale Winkel auch mehrere Stränge (aus verschiedenen Lagen überlappend) vertreten sind. Solche Überlappbereiche können insbesondere mit anderen azimutalen Bereichen abwechseln, in denen wie oben beschrieben jeweils nur ein Strang vertreten ist. Auch in einem solchen Fall mit einem azimutalen Überlapp der Stränge soll jedoch allgemein gelten, dass die Reihenfol¬ ge der Besetzung der Winkelpositionen mit den einzelnen
Strängen in einem regelmäßig wiederkehrenden Muster wechselt. Auch hier sollen innerhalb des wiederkehrenden Musters von Strangbesetzungen Lagenwechsel zwischen den Einzelspulen eines Stranges nicht ausgeschlossen sein, wie im Zusammenhang mit den späteren Beispielen noch deutlicher werden wird.
Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass innerhalb einer jeweiligen vorgegebenen Wicklungs- läge Überkreuzungen im Bereich der Wickelköpfe vermieden werden. Mit anderen Worten sind innerhalb jeder Wicklungslage die Einzelspulen auf ihren zugeordneten azimutalen Positionen nebeneinander angeordnet und durchdringen sich beziehungsweise überlappen sich innerhalb der jeweiligen Lage nicht. Ein Überlapp der Einzelspulen (in radialer Projektion betrachtet) ergibt sich jeweils nur bei einer gemeinsamen Betrachtung mehrerer übereinanderliegende Wicklungslagen. Dies wird ins¬ besondere dadurch erreicht, dass innerhalb einer gegebenen Wicklungslage der Bereich zwischen den beiden axialen Leiter- schenkein einer gegebenen Einzelspule nicht durch die axialen Leiterschenkel anderer Einzelspulen aufgefüllt wird. Um trotzdem in azimutaler Richtung einen häufigen Wechsel zwischen den axialen Leiterschenkeln der einzigen Stränge zu erreichen, ist stattdessen ein Überlapp zwischen Einzelspulen unterschiedlicher Stränge über verschiedene Lagen hinweg vorgesehen. Mit anderen Worten weichen die Einzelspulen, die nach dem oben beschriebenen azimutalen Besetzungsschema mit einer gegebenen Einzelspule kreuzen würden, hier auf eine an- dere radiale Wicklungslagen aus. Dadurch wird erreicht, dass Leiterkreuzungen innerhalb einer Lage vermieden werden und trotzdem insgesamt die Besetzung azimutaler Positionen mit einzelnen Strängen häufiger wechselt, als die Besetzung der einzelnen Stränge innerhalb einer Lage wechselt.
Durch die beschriebene Vermeidung von Überkreuzungen innerhalb einer Wicklungslage wird hier der zusätzliche Vorteil erzielt, dass die Wickelköpfe vor allem in axialer Richtung sehr kompakt ausgeführt werden können, da keine zusätzliche axiale Länge dafür bereitgestellt werden muss, um Leiterzwei¬ ge unterschiedlicher Stränge innerhalb einer Wicklungslage dreidimensional aneinander vorbeizuführen. Hierdurch können die Wickelköpfe innerhalb ihrer jeweils zugeordneten Lage mit einem vergleichsweise engen Biegeradius und einer vergleichs¬ weise kurzen axialen Länge des Wickelkopfes ausgeführt wer¬ den. Hierdurch kann die Maschine insgesamt vergleichsweise kompakt (und insbesondere axial kurz) ausgeführt werden, was wiederum eine vergleichsweise hohe Leistungsdichte der Ma- schine ermöglicht.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist eine Wechsel¬ strommaschine mit einem erfindungsgemäßen Stator. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine ergeben sich analog zu den oben angegebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Stators.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 14 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei kön- nen die beschriebenen Ausgestaltungen des Stators und der elektrischen Maschine allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform liegen alle Einzelspulen jeweils vollständig innerhalb einer ihnen je¬ weils zugeordneten Wicklungslage. Mit anderen Worten wird ein Wechsel der Wicklungslage also nicht nur im Bereich der Wi¬ ckelköpfe, sondern im Bereich der gesamten Einzelspule ver- mieden. Dies soll vorteilhaft insbesondere für alle Einzel¬ spulen der Statorwicklung gelten. Eine solche Ausführungsform ist allgemein besonders geeignet, um einen kompakten Wicklungsaufbau mit möglichst einfachem Aufbau der Einzelspulen zu erreichen. Kreuzungen und Überlagerungen von Leiterzweigen in einer Lage werden insgesamt vermieden, da in jeder Wicklungslage nur die dieser jeweils eindeutig zugeordneten Ein¬ zelspulen in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die Einzelspulen können vorteilhaft jeweils als Sattelspulen ausgebildet sein, mit anderen Worten können die Einzelspulen zumindest in Teilbereichen aus einer flachen Spulenebene heraus gekrümmt sein. Diese sattelförmigen Spulen können insbesondere so geformt sein, dass sie jeweils an die Konturen ei¬ nes Zylindersegments angepasst sind. Insbesondere können sie jeweils so geformt sein, dass sie zwischen zwei konzentri¬ schen kreisförmigen Hohlzylindern liegen. Der Bereich zwischen diesen beiden Hohlzylindern definiert dann die entsprechende zylindermantelförmige Wicklungslage mit einer entspre¬ chenden radialen Lagendicken.
Besonders vorteilhaft kann bei dieser allgemeinen Ausführungsform für jede ausgewählte Einzelspule, die in einer zu¬ geordneten Wicklungslage liegt, ein axialer Schenkel dieser Einzelspule in radialer Projektion gesehen mit einem innen- liegenden Bereich einer anderen Einzelspule überlappt, wobei diese andere Einzelspule in einer anderen Wicklungslage ange¬ ordnet ist. Der innenliegende Bereich einer Einzelspule - al¬ so der Bereich der zwischen zwei axialen Schenkeln liegt - wird hier allgemein auch als „Auge" einer Spule bezeichnet. Besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung ist es, wenn zusätzlich auch das Auge jeder Einzelspule mit wenigstens einem axialen Schenkel aus einer anderen Wicklungslage überlappt. Durch diese Art der Überlappung (wiederum in radialer Projektion gesehen) kann vorteilhaft erreicht werden, dass eine komplexe Wicklungstopologie mit einer komplexen Zonenfolge - insbesondere einem häufigen Wechsel der Besetzung der azimutalen Positionen mit einzelnen Strängen - bei gleichzeitiger Vermeidung von Leiterkreuzungen innerhalb einer Wicklungslage erreicht werden kann.
Allgemein bevorzugt kann die Statorwicklung als Luftspalt- wicklung ausgestaltet sein. Eine solche Luftspaltwicklung ist also nicht in Nuten eines Eisenkerns oder eines anderen weichmagnetischen Materials eingebettet. Sie ist stattdessen in der Luftspalt-Region der Maschine angeordnet. Solche Luft¬ spaltwicklungen im Stator sind vor allem dann vorteilhaft, wenn die erzeugten Magnetfelder beim Betrieb der Maschine so stark sind, dass es bei einer herkömmlich aufgebauten Maschine zu einer Sättigung des weichmagnetischen, flussführenden Statormaterials kommen würde. Dies ist vor allem im Zusammen¬ hang mit supraleitenden Rotorwicklungen der Fall. Ein weite- rer Vorteil der Verwendung von als Luftspaltwicklungen ausgeführten Statorwicklungen ist, dass der Platz und der Gewichtsbeitrag einer herkömmlichen flussführenden Struktur eingespart werden. Durch das Wegfallen der weichmagnetischen Zähne zwischen den axialen Leiterschenkeln kann also prinzi- piell ein höherer Füllfaktor der Wicklung erreicht werden.
Die Ausführung als Luftspaltwicklung ist gerade im Zusammenhang mit den wesentlichen Merkmalen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, da durch das beschriebene „Verla- gern" von Überlappungen zwischen Einzelspulen auf verschiedene Wicklungslagen prinzipiell Füllfaktor eingebüßt wird. Dies kommt dadurch zustande, dass durch die Verschiebung des Über- lapps auf andere Wicklungslagen in jeder Wicklungslage unbe¬ setzte Positionen vorliegen. Bei einer klassischen Stator- wicklung, bei der die axialen Schenkel in Nuten zwischen Eisenzähnen eingebettet sind, würde dies unter Umständen zu ei¬ nem insgesamt sehr niedrigen Füllfaktor der Statorwicklung führen, was wiederum die Gesamtleistungsdichte der Maschine negativ beeinflusst. Bei einer Luftspaltwicklung jedoch ent- fällt der Platzverlust durch die weichmagnetischen Zähne und der Füllfaktor kann somit trotz der unbesetzten Positionen der axialen Leiterschenkel immer noch ausreichend hoch sein. Bei der Ausführung als Luftspaltwicklung soll dabei nicht grundsätzlich ausgeschlossen sein, dass die Statorwicklung Stützstrukturen aufweist, welche sich ähnlich wie die klassi¬ schen Statorzähne in radialer Richtung erstrecken und welche azimutal zwischen den einzelnen axialen Schenkeln der Wick- lung angeordnet sind. Solche Stützstrukturen können sich radial über mehrere Wicklungslagen erstrecken und so die ganze Wicklung abstützen. Bei der Ausführung als Luftspaltwicklung sind solche Stützstrukturen entsprechend aus amagnetischem Material ausgebildet.
Alternativ zu der genannten Ausführungsform als Luftspaltwicklung ist es prinzipiell aber auch möglich, dass die be¬ schriebenen radialen Stützstrukturen aus weichmagnetischem Material gebildet sind und daher als Zähne eines Statorjochs wirken können. Vorteilhaft handelt es sich bei solchen Zähnen aber nur um sehr schmale Zähne, die also in Umfangsrichtung deutlich schmaler ausgebildet sind als klassische Stator¬ zähne. Bevorzugt weisen solche „minimalen Statorzähne" in azimutaler Richtung eine Breite auf, welche wesentlich gerin- ger ist als die azimutale Breite der einzelnen axialen Lei¬ terschenkel. Beispielsweise kann die Breite der Statorzähne bei höchstens einem Fünftel, insbesondere sogar nur bei höch¬ stens einem Zehntel der Breite der einzelnen Leiterschenkel liegen. Die angegebenen vorteilhaften Maximalbreiten können im Übrigen auch analog für die weiter oben beschriebenen Stützstrukturen aus amagnetischem Material gelten.
Gemäß einer alternativen und unter Umständen zu bevorzugende Ausführungsform liegen jedoch sogar gar keine Stützstruktu- ren oder Zähne vor, welche sich in radialer Richtung über mehrere Wicklungslagen erstrecken. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft im Zusammenspiel mit der Ausführung der Einzelspulen als flache Sattelspulen, welche durch ihre flache Form gut in mehreren Wicklungslagen übereinander gesta- pelt werden können, ohne durch dazwischen liegende Zähne besonders abgestützt werden zu müssen. Dabei können die unbe¬ setzten Positionen der einzelnen Wicklungslagen optional durch passende andere flache Strukturen aufgefüllt werden. Allgemein wird durch das Vorliegen von unbesetzten Positionen in der Wicklung die Packungsdichte (also der Füllfaktor) reduziert, was für sich allein genommen prinzipiell zu einer niedrigeren Leistungsdichte führt als bei einem höheren Füll¬ faktor. Allerdings wird durch die Merkmale der vorliegenden Erfindung die axiale Ausdehnung der Wickelköpfe im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert. So kann insgesamt einer Maschine zur Verfügung gestellt werden, welche trotzdem eine höhere Leistungsdichte aufweist als eine Maschine nach dem Stand der Technik.
Allgemein kann es vorteilhaft sein, wenn die axialen Schenkel der einzelnen Einzelspulen über ein regelmäßiges Besetzungs- muster aus radialen und azimutalen Positionen verteilt sind. Mit anderen Worten kann ein regelmäßiges zweidimensionales Muster vorliegen, welches zweckmäßig als Anordnung von besetzten und unbesetzten Positionen in Polarkoordinaten wiedergegeben werden kann. Dabei sind die besetzten Positionen in einer charakteristischen Anordnung durch die axialen
Schenkel der einzelnen Stränge besetzt. Eine solche besetzte Position erstreckt sich dabei über den gesamten axialen Bereich der Statorwicklung, der zwischen den beiden endständigen Wickelkopfbereichen liegt. Unter dem genannten regelmäßi- gen Besetzungsmuster soll verstanden werden, dass das Muster der Besetzungspositionen für die einzelnen Stränge sich als Muster von besetzten und unbesetzten Positionen ergibt, wobei diese Muster ein regelmäßiges Raster aus radialen Positionen (also Wicklungslagen) und azimutalen Positionen zu Grunde liegt. Dieses Muster kann insbesondere als Ganzes eine Sym¬ metrie aufweisen. Insbesondere kann sich das Muster in Um- fangsrichtung nach einem bestimmten Winkel wiederholen - mit anderen Worten es liegt dann eine Rotationssymmetrie vor. Be¬ sonders vorteilhaft kann es sich dabei um eine zweizählige Rotationssymmetrie handeln, so dass eine Drehung um 180° das Besetzungsmuster in sich selbst überführt. Grundsätzlich ist aber auch eine höherzählige Rotationssymmetrie (mit geradzah¬ liger oder ungeradzahliger Zähligkeit) möglich. Hervorzuheben ist, dass hierbei nicht notwendigerweise eine Spiegelsymmet¬ rie vorliegen muss. Insbesondere kann vorteilhaft eine zwei- zählige und/oder höherzählige Rotationssymmetrie vorliegen, ohne dass eine Symmetrieebene für das Besetzungsmuster exis- tiert.
Bevorzugt weist das regelmäßige Besetzungsmuster eine Mehr¬ zahl von unbesetzten Positionen auf. Mit anderen Worten liegen in dem regelmäßigen Raster Lücken vor, also einzelne Po- sitionen des Rasters mit azimutalen und radialen Koordinaten, welche nicht durch einen axialen Schenkel einer Einzelspule besetzt sind. Derartige Lücken können dadurch entstehen, dass - in radialer Projektion gesehen - die Augen bestimmter Einzelspulen sich mit der Längsschenkeln anderer Einzelspulen überlagern, dass aber wie weiter oben beschrieben eine Durchdringung der Spulen durch Ausweichen auf andere Wicklungslagen vermieden wird. Durch dieses Ausweichen entstehen zwangsläufig Lücken in dem Besetzungsmuster. Beispielsweise kann jede der Wicklungslagen eine oder mehrere solche Lücken auf- weisen. Alternativ oder zusätzlich können auch für jede azimutale Position des Rasters eine oder mehrere Lücken vorlie¬ gen. Diese Ausgestaltung ist vor allem bei einer ungesehnten Wicklung vorteilhaft. Bei einer solchen ungesehnten Wicklung kann beispielsweise der Anteil der unbesetzten Positionen bei 50% oder sogar noch höher liegen, um den räumlichen Überlapp der Einzelspulen innerhalb einer Wicklungslage vermeiden zu können. Beispielsweise kann der Anteil der unbesetzten Positionen für eine Strangzahl von n=3 vorteilhaft bei 50 % lie¬ gen. Für höhere Strangzahlen kann der Anteil der unbesetzten Positionen sogar noch größer ausfallen. Hierdurch liegt auch der Füllfaktor der Wicklung dann gegebenenfalls nur bei höchstens 50 %, da noch weitere Verluste im Füllfaktor - bei¬ spielsweise durch Stützstrukturen - hinzu kommen können. Bei einer gesehnten Wicklung kann der Verlust an Füllfaktor durch die unbesetzten Positionen jedoch auch geringer als 50 % sein, da die Breite der einzelnen Zonen gegenüber der Breite der dazwischenliegenden Lücke dort vergrößert sein kann. Besonders vorteilhaft können im Bereich der beschriebenen unbesetzten Positionen jeweils ein oder mehrere Kühlmittelkanä¬ le angeordnet sein. Solche Kühlmittelkanäle können genutzt werden, um mit einem fluiden Kühlmittel, dass diese durch- strömt, die Statorwicklung besonders effektiv zu kühlen. Dies ist insbesondere bei Maschinen mit besonders hohen Leistungs¬ dichten der Fall, für die die Erfindung ja gerade besonders relevant ist. Bei elektrischen Maschinen mit sehr hohen Leistungsdichten ist unter Umständen ohnehin eine Kühlung der Wicklung durch Anbringung von Kühlkanälen zwischen den einzelnen Leiterschenkeln zweckmäßig. Um hierfür keine zusätzlichen Einbußen im Füllfaktor der Wicklung in Kauf nehmen zu müssen, können die unbesetzten Positionen besonders vorteilhaft für solche Kühlkanäle genutzt werden. Gerade bei der Ausgestaltung der Einzelspulen als Flachspulen ist eine solche Anordnung besonders vorteilhaft, da dann eine gegebene Einzelspule jeweils durch wenigstens einen Kühlmittelkanal gekühlt werden kann, welcher in einer benachbarten Wicklungslage angeordnet ist. Durch die flache Ausgestaltung der Spu- len - und die entsprechend analoge flache Geometrie der je¬ weils unbesetzten Positionen - ergibt sich dann eine entsprechend hohe Kontaktfläche und ein kurzer Abstand zwischen der gegebenen Spule und dem unbesetzten Platz in der benachbarten Lage, der durch ein oder mehrere Kühlmittelkanäle genutzt werden kann. So ergibt sich ein entsprechend guter Wärmeübertritt zwischen Einzelspulen und Kühlmittel.
Die Statorwicklung kann insbesondere eine gerade Anzahl m von Wicklungslagen aufweisen, die insbesondere bei m=2 oder m=4 liegen kann. Bei einer solchen geraden Anzahl von Wicklungslagen kann die Statorwicklung in zusammengehörige Paare von Wicklungslagen strukturiert sein, wobei für eine gegebene azimutale Position beispielsweise immer eine Wicklungslage besetzt und die andere Wicklungslage desselben Paars unbe- setzt ist. So wird das weiter oben beschriebene Ausweichen von miteinander überlappenden Einzelspulen auf unterschiedliche Wicklungslagen erreicht und insgesamt bleibt die Hälfte der vorhandenen Positionen unbesetzt. Dabei müssen die zusam- mengehörigen Paare von Wicklungslagen nicht notwendigerweise radial benachbart angeordnet sein. In analoger Weise ist es alternativ auch möglich, dass immer vier Wicklungslagen zu einer Gruppe zusammengehören und dass entsprechend für jede azimutale Position nur eine Lage aus dieser Gruppe besetzt ist .
Allgemein vorteilhaft können die Wickelköpfe der Einzelspulen jeweils annähernd U- förmig ausgestaltet sein. Unter einer solchen Form soll dabei nicht nur eine U-Form im strengen
Sinn (also die Verbindung zweier axialer Schenkel durch einen halbkreisartigen Bogen), sondern auch jede andere Form verstanden werden, durch die zwei parallele axiale Schenkel durch einen insgesamt abgerundeten Verbindungsbereich mitei- nander verbunden werden. Dieser Verbindungsbereich kann insbesondere auch einen Verbindungsschenkel aufweisen, welcher über zwei abgerundete Ecken mit den axialen Schenkeln verbunden ist. Ein solcher Verbindungsschenkel kann (wie im Übrigen auch der halbkreisartige Bogen) insgesamt so gekrümmt sein, dass er die Konturen einer zylindermantelförmigen Wicklungslage nachbildet und so innerhalb einer solchen Lage zu liegen kommt .
Allgemein kann durch die U- förmige Ausgestaltung erreicht werden, dass die Wickelköpfe insgesamt eine besonders kurze axiale Ausdehnung aufweisen. Der kleinste Krümmungsradius des Leiters, der im Bereich eines Wickelkopfes auftritt kann allgemein unterhalb von 500 mm liegen, insbesondere unter 100 mm oder sogar unter 10 mm, beispielsweise in einem Bereich zwi- sehen 1 mm und 50 mm. Derart niedrige Krümmungsradius werden einer Statorwicklung gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein dadurch ermöglicht, dass Durchdringung und Überlappungen von Einzelspulen innerhalb einer Lage vermieden werden und dadurch die einzelnen Leiter hier nicht durch ausladende Lei- terpfade in den Wickelköpfen aneinander vorbei geführt werden müssen. Bei jedem Wickelkopf handelt es sich dagegen vorteilhaft nur um eine Verbindung zweier axialer Leiterschenkel, die innerhalb einer gemeinsamen Wicklungslage angeordnet sind und in dieser Wicklungslage benachbart (das heißt nicht durch Leiterschenkeln anderer Stränge beabstandet) zueinander geführt werden. Bei dieser Wicklungstopologie wird der Biegeradius im Bereich der Wickelköpfe nach unten hin vorteilhaft nur durch die Biegeeigenschaften der Leiter begrenzt und nicht durch die zu vermeidende Durchdringung der Wickelköpfe wie beim Stand der Technik. Bei den Leitern kann es sich beispielsweise um Litzenleiter handeln, deren einzelne Litzen aus Kupfer bestehen oder zumindest Kupfer umfassen. Mit einem solchen Litzenleiter können vergleichsweise geringe minimale Biegeradien erreicht werden, welche beispielsweise bei dem etwa Dreifachen der innerhalb der Krümmungsebene vorliegenden Leiterbreite liegen können. Die Einzelspulen können allgemein vorteilhaft jeweils als sattelförmige Flachspulen ausgestaltet sein. Unter einer Flachspule soll im vorliegenden Zusammenhang eine solche Spu¬ le verstanden werden, bei der die Breite der Leiterschenkel innerhalb der jeweiligen Wicklungslage wesentlich größer ist als die Höhe der Leiterschenkel (also deren Dicke senkrecht zur lokalen Ausrichtung der Wicklungslage) . Vorteilhaft kann die Breite der Leiterschenkel wenigstens zweimal so groß und insbesondere sogar wenigstens fünfmal so groß wie deren Höhe sein. Die Ausbildung der Einzelspulen als Flachspulen ist allgemein vorteilhaft, um im Zusammenspiel mit der beschrie¬ benen Verteilung der Wicklung auf mehrere Wicklungslagen und der speziellen Anordnung, bei der durch unbesetzte Positionen eine Überkreuzungen innerhalb der lagen vermieden wird, einen mechanisch stabilen Wicklungsverband zu erreichen. Ein sol- eher mit Wicklungsverband kann besonders vorteilhaft auch oh¬ ne Statorzähne oder andere radiale Stützstrukturen mechanisch stabil ausgeführt werden. Hierzu können beispielsweise die nicht von Leiterzweigen besetzten Positionen des Rasters von entsprechend geformten anderen Strukturen ausgefüllt sein, um zusätzlichen mechanischen Halt zu gewähren. Diese Füllstrukturen können beispielsweise nicht leitend ausgebildet sein und/oder optional Kühlmittelkanäle umfassen. Allgemein ist die hier beschriebene flache Form der Spulen auch elektromag- netisch vorteilhaft, da so eine verteilte Wicklung mit einer Lochzahl größer als 1 nachgebildet werden kann. Im Unterschied dazu verhält sich eine Wicklung mit in azimutaler Richtung schmal und in radialer Richtung hoch ausgebildeten Spulen eher wie eine konzentrierte Wicklung mit einer Lochzahl von 1 und hätte einen unvorteilhaft hohen Gehalt an har¬ monischen Wicklungsoberwellen.
Allgemein kann die Statorwicklung beispielsweise als unge- sehnte Wicklung ausgestaltet sein. Bei einer solchen unge¬ sehnten Wicklung kann vorteilhaft ein sogenanntes „reines Zo¬ nenschema" eingehalten werden, bei welchem der Umfang der Statorwicklung in einzelne azimutale Bereiche („Zonen") unterteilt ist, die jeweils nur mit Leiterschenkeln eines aus¬ gewählten Stranges besetzt sind (und zusätzlich die unbesetzten Lücken aufweisen) . Es liegt jedoch hier insbesondere keine Überlagerung von Leiterschenkeln unterschiedlicher Stränge innerhalb einer gegebenen Umfangsposition vor. Bei einer solchen ungesehnten Wicklung kann gemäß den übrigen Merkmalen der vorliegenden Erfindung eine neuartige Statorwicklung zur Verfügung gestellt werden, welche aber in ihren Zonenplan mit dem Zonenplan einer klassischen Statorwicklung in den Nuten von Statorzähnen übereinstimmt. Alternativ zu der vorhergehenden Ausführungsform kann die
Statorwicklung aber auch als gesehnte Wicklung ausgestaltet sein. Eine Sehnung der Wicklung kann beispielsweise durch einen Versatz in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Wicklungslagen erreicht werden. Mit anderen Worten können über- einanderliegenden Leiterschenkel, welche einem gemeinsamen
Strang aber unterschiedlichen Wicklungslagen angehören, azimutal leicht gegeneinander versetzt sein. Ein solcher „leichter Versatz" kann zweckmäßig geringer gewählt sein als der geringste azimutale Abstand zwischen nebeneinanderliegenden axialen Leiterschenkeln innerhalb einer Wicklungslage. Alternativ oder zusätzlich zu einem derartigen azimutalen Versatz kann eine Sehnung aber auch dadurch erreicht werden, dass die azimutal nebeneinanderliegenden Zonen einer Wicklungslage un- terschiedlich breit gewählt werden. Bei dieser Ausführungs¬ form können insbesondere auch die unbesetzten Positionen mit einer geringeren Breite ausgeführt sein als die besetzten Positionen, was im Unterschied zu ungesehnten Wicklung einen leicht verbesserten Füllfaktor ermöglicht.
Innerhalb der Statorwicklung können die Einzelspulen eines jeweiligen Stranges in einem oder beiden axialen Endbereichen elektrisch miteinander zu einer übergeordneten Wicklungsgrup- pe verbunden sein. Eine solche elektrische Verbindung kann beispielsweise über einen sogenannten Schaltring realisiert sein .
Der Stator kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass seine axiale Länge (inklusive der Wickelköpfe) kürzer ist als der Außendurchmesser des Stators. Insbesondere kann das Verhält¬ nis zwischen axialer Länge und Außendurchmesser sogar kleiner als 0,4 sein. Ein derartiges Aspektverhältnis wird durch die Wicklungstopologie gemäß der vorliegenden Erfindung erleich- tert und unter Umständen überhaupt erst ermöglicht, da nur bei der Vermeidung von ausladenden Wickelköpfen ein entsprechend kurzer Stator realisiert werden kann.
Die elektrische Maschine kann allgemein zusätzlich zu dem be- schriebenen Stator noch einen Rotor aufweisen, der zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit p Polen ausgebildet ist. Im Zu¬ sammenspiel mit einem solchen Rotor kommen die beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Stators besonders zum Tragen. Insbesondere kann ein solcher Rotor mit einer supraleitenden Erregerwicklung ausgestattet sein. Eine solche Ausführung ist besonders vorteilhaft, um mit der Maschine eine sehr hohe Leistungsdichte zu erreichen. Die elektrische Maschine ist allgemein vorteilhaft für eine Nennleistung von wenigstens 2 MW, insbesondere sogar wenigstens 5 MW ausgelegt. Alterna¬ tiv oder zusätzlich kann sie vorteilhaft eine Leistungsdichte von wenigstens 10 kW/kg, insbesondere sogar wenigstens
20 kW/kg aufweisen. Dies ist besonders für Generatoren oder Motoren in Fahrzeugen relevant, die beim Antrieb eines sol¬ chen Fahrzeuges mit bewegt werden müssen. Ganz besonders kri¬ tisch ist die Leistungsdichte bei elektrischen Maschinen in Luftfahrzeugen. Unabhängig von der genauen Anwendung der Ma- schine kann diese allgemein entweder als Motor und/oder als Generator betrieben werden. Besonders vorteilhaft kann die Maschine als Synchronmaschine ausgebildet sein.
Die magnetische Polzahl p der elektrischen Maschine kann vor- teilhaft zwischen 2 und 12, insbesondere zwischen 6 und 12 und besonders vorteilhaft bei genau 8 liegen. Eine derartige Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, um eine hohe Leis¬ tungsdichte zu erreichen. Der bevorzugte Bereich ergibt sich dabei daraus, dass einerseits mit steigender Polzahl das ra- diale Luftspaltfeld und somit die die induzierte Spannung sinkt, dass aber andererseits mit steigender Polzahl die elektrische Frequenz bei gleicher Drehzahl steigt. Der zweite Effekt steigert die induzierte Spannung, so dass sich insge¬ samt bei typischen Geometrien ein Optimum für die Leistung innerhalb der genannten Bereiche ergibt. Zusätzlich gibt es noch weitere Effekte, beispielsweise dass bei kleinen Polzah¬ len eine größere Jochdicke gewählt werden muss, was wiederum das Gewicht beeinflusst. Solche Faktoren bestimmen ebenfalls den bevorzugten Polzahlbereich für eine optimale Leistungs- dichte.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils
einer elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik zeigt,
Figur 2 eine Darstellung eines Teils der Statorwicklung aus der Maschine der Figur 1 zeigt,
Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils
einer elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, Figur 4 einen Ausschnitt für einen Winkelsegment der Maschine der Figur 3 zeigt,
Figur 5 eine axiale Aufsicht des Stators der Maschine der Fi¬ gur 3 zeigt,
Figur 6 eine dreidimensionale schematische Darstellung eines
Teils der Maschine der Figur 3 zeigt,
Figur 7 eine dreidimensionale schematische Darstellung einer einzelnen sattelförmigen Flachspule zeigt,
Figur 8 eine Projektion eines Teils einer Flachspule im Vergleich mit der Projektion einer herkömmlichen Statorwicklung zeigt,
Figur 9 einen Ausschnitt aus einem Wickelschema einer Statorwicklung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
Figur 10 einen Ausschnitt aus einem Wickelschema einer Sta¬ torwicklung nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,
Figur 11 einen Ausschnitt aus einem Wickelschema einer Sta¬ torwicklung nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt und
Figur 12 einen Ausschnitt aus einem Wickelschema einer Sta¬ torwicklung nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt .
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Figur 1 ist ein Ausschnitt einer elektrischen Maschine 1 nach dem Stand der Technik in schematischem Querschnitt gezeigt. Gezeigt ist ein 90 ° -Winkelsegment in einer Schnittebene, welche senkrecht zur zentralen Achse A der Maschine liegt. Die elektrische Maschi¬ ne 1 weist einen innenliegenden, um die zentrale Achse A rotierbar gelagerten Rotor 11 auf. Dieser Rotor 11 ist mit einer Mehrzahl von Feldwicklungen 12 ausgestattet, von denen hier beispielhaft zwei Pole gezeigt sind. Sie dienen zur Aus¬ bildung eines Erregerfeldes der elektrischen Maschine. Der innenliegende Rotor wird radial von einem feststehenden Sta¬ tor 3 umgeben. Sowohl Rotor als auch Stator weisen hier eine kreiszylindrische Grundform auf. Der Stator umfasst ein au- ßenliegendes zylindermantelförmiges Eisenjoch 5 als flussfüh¬ rendes Element. Zwischen dem Eisenjoch 5 und dem Rotor 11 befindet sich ein Luftspalt 6, in dem hier ebenfalls die Sta¬ torwicklung 4 des Stators 3 angeordnet ist. Es handelt sich hier also um eine sogenannte Luftspaltwicklung, die nicht azimutal zwischen magnetischen Strukturen angeordnet ist. Die Statorwicklung 4 umfasst eine Mehrzahl von Windungen 8i, von denen im dargestellten Ausschnitt 24 Stück in Form ihrer sich axial erstreckenden Leiterschenkel gezeigt sind. Um der Sta- torwicklung 4 mechanischen Halt zu geben, können diese axialen Leiterschenkel optional zwischen amagnetischen Zähnen 7 (oder anderweitigen Haltestrukturen) eingebettet sein, von denen hier im mittleren Teil der Zeichnung beispielhaft zwei gezeigt sind. Die Statorwicklung 4 der Figur 1 weist zwei Wicklungslagen 4a und 4b auf, über welche die einzelnen axia¬ len Leiterschenkel 21 verteilt sind. Es handelt sich dabei um eine radial innenliegende Unterlage 4a und eine radial außen¬ liegende Oberlage 4b. Die Statorwicklung 4 der Figur 1 weist hier insgesamt drei elektrische Stränge u, v und w auf, wel- che beispielsweise den drei Phasen einer Dreiphasen-Wechsel¬ strommaschine zugeordnet sind. Die Leiterzweige eines jewei¬ ligen Stranges sind dabei untereinander elektrisch zu einer übergeordneten Wicklungsgruppe verbunden. Innerhalb einer solchen Wicklungsgruppe wechseln über den Umfang der Stator- wicklung 4 betrachtet Bereiche unterschiedlicher Stromfluss¬ richtung miteinander ab. Bei der Statorwicklung der Figur 1 handelt es sich um eine sogenannte ungesehnte Wicklung, bei der in Umfangsrichtung gesehen verschiedene azimutale Positi¬ onen 35i aufeinanderfolgen, wobei jede dieser Positionen nur jeweils einem bestimmten Strang und einer vorgegebenen Stromflussrichtung zugeordnet ist. So bilden beispielsweise die zusammen mit +u gekennzeichneten Leiterschenkel die Hinleiter des elektrischen Strangs u. Und die zusammen mit -u gekenn¬ zeichneten Leiterschenkel bilden die Rückleiter des elektri- sehen Strangs u für die jeweils zugeordnete azimutale Positi¬ on. Das sogenannte Zonenschema der elektrischen Maschine gibt vor, in welchem charakteristischen Muster die Hinleiter und Rückleiter der einzelnen Stränge über das Raster der azimutalen Positionen und der Wicklungslagen verteilt sind.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils der Statorwicklung 4 aus der Maschine der Figur 1. Bei der Darstellung der Figur 2 handelt es sich um eine vereinfachte zweidimensionale Darstellung der Wicklung, bei der die in Wirklichkeit kreiszylinderförmige Wicklung gedanklich auf eine planare Ebene „abgerollt" wurde. Diese Ebene wird ent- sprechend durch die beiden Richtungskoordinaten der axialen Richtung a und der Winkelkoordinate 24 aufgespannt. Dabei sind nicht nur Komponenten dargestellt, die genau in der Pa¬ pierebene liegen. Es handelt sich vielmehr um eine Projekti¬ on, die Komponenten aus beiden Wicklungslagen 4a und 4b dar- stellt. Der dargestellte Teil der Wicklung 4 umfasst zwei
Hinleiter des Strangs v, die entsprechend mit +v gekennzeich¬ net sind. Weiterhin sind zwei Rückleiter desselben Strangs gezeigt, die entsprechend mit -v gekennzeichnet sind. Dabei liegen die beiden Hinleiter in der Unterlage 4a und die bei- den Rückleiter liegen in der Oberlage 4b. Entlang der Winkelkoordinaten 24 sind sowohl die beiden benachbarten Hinleiter als auch die beiden benachbarten Rückleiter jeweils um eine sogenannte Nutteilung 28 gegeneinander versetzt. Mit anderen Worten, sie liegen im benachbarten Nuten. Die gezeigten axia- len Leiterschenkel - also die Hinleiter und Rückleiter - be¬ finden sich in einem axial innen liegenden Teil 16 der Wicklung, von dem hier nur ein kleiner Abschnitt gezeigt ist. Daran angrenzend befindet sich ein axialer Endbereich 17, in dem die zueinander gehörigen Leiterschenkel über Wickelköpfe 23 elektrisch miteinander verbunden sind, wobei diese Wickelköpfe auch den Lagenabstand überbrücken. Der durch diese Verbindung zu überbrückende Wickelschritt 29 beträgt in diesem Beispiel das Sechsfache der Nutteilung 28. Um trotz dieses relativ großen azimutalen Abstands und trotz der in dieser Projektion sichtbaren Überkreuzung benachbarten Leiterzweige eine räumliche Durchdringung der Wickelköpfe zu vermeiden, ist hier ein relativ großer Winkel ß nötig. Der minimal not¬ wendige Winkel ß wird im gezeigten Beispiel noch zusätzlich dadurch vergrößert, dass im Bereich der Wickelköpfe 23 ein Isolationsabstand 27 zwischen den einzelnen Leitern eingehalten werden muss. Durch die beschriebenen geometrischen Randbedingungen ist jedoch entsprechend der Größe des Winkels ß auch die axiale Länge der Wickelköpfe sehr groß. Durch diesen Effekt entfällt bei herkömmlichen Maschinen ein großer Teil der axialen Länge und auch des Gewichts der Maschine auf die Wickelköpfe, die aber zur Feldausnutzung der Maschine sehr wenig beitragen.
Figur 3 einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin¬ dung. Gezeigt ist auch hier ein Schnitt senkrecht zur zentra¬ len Achse A der Maschine. Auch diese Maschine weist einen in- nenliegenden Rotor 11 und einen diesen radial umgebenden Stator 3 auf. Der Rotor kann ähnlich ausgestaltet sein wie der Rotor der herkömmlichen Maschine der Figur 1. Er kann beispielsweise, wie dargestellt, zur Ausbildung eines achtpoli- gen elektromagnetischen Erregerfeldes ausgestaltet sein. Auch die elektrische Maschine der Figur 3 weist ein zylinderman- telförmiges außenliegendes Statorjoch 5 auf, welches die Sta¬ torwicklung 4 im gezeigten Bereich als flussführendes Element radial umgibt. Der dargestellte Bereich ist ein axial innen¬ liegender Teil der Wicklung 4, also der Bereich, in welchem die sich axial erstreckenden Leiterschenkel 21 der Wicklung angeordnet sind. Auch hier sind in den hier nicht dargestell¬ ten, axial außen liegenden Bereichen die Wickelköpfe angeord¬ net, welche die einzelnen Leiterschenkel der einzelnen Strän¬ ge zu übergeordneten Wicklungsgruppe verbinden.
Die Zuordnung der einzelnen axialen Leiterschenkel 21 zu einzelnen Wicklungslagen und azimutalen Positionen ist in Figur 4 detaillierter dargestellt, welche wiederum nur einen 90°- Ausschnitt der Maschine zeigt. Die Statorwicklung 4 gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel weist 4 Wicklungslagen 33a, 33b, 33c und 33d auf, über welche die einzelnen axialen Lei¬ terschenkel 21 nach einem regelmäßigen Muster verteilt sind. Ähnlich wie bei der Maschine der Figur 1 ist auch hier die Statorwicklung 4 in 3 elektrische Stränge u, v und w aufge¬ teilt. Auch bei dieser Maschine ist die Statorwicklung 4 in ein Raster von diskreten azimutalen Positionen 35i aufgeteilt, wobei jede dieser Positionen einem der drei elektri- sehen Stränge u, v oder w zugeordnet ist und insbesondere entweder den Hinleitern +u, +v bzw. +w oder den Rückleitern - u, -u bzw. -w des jeweiligen Stranges zugeordnet ist. Beim Beispiel der Figuren 3 und 4 wechseln die drei Stränge in Um- fangsrichtung gesehen in immer wiederkehrender Reihenfolge miteinander ab (also immer u,v,w,u,v,w und so weiter) . Der
Zonenplan ist somit analog zur Wicklung der Figur 1. Für die Untermenge der azimutalen Positionen, die mit einem gegebenen Strang besetzt sind (also beispielsweise u) wechseln dabei in diesem Beispiel immer die Hinleiter (+u) mit den Rückleitern (-u) in wiederkehrenden Muster ab. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass diese Statorwicklung im Gegensatz zur Wicklung der Figur 1 nicht als verteilte Wicklung ausgebildet ist, sondern dass sie sich aus Einzel¬ spulen zusammensetzt. Dabei sind jeweils zwei axiale Schenkel eines gegebenen Strangs über zwei Wickelköpfe (die in den hier nicht dargestellten axialen Endbereichen liegen) zu einer ringförmigen Einzelspule miteinander verbunden. Im gezeigten Beispiel ist jede dieser Einzelspulen in nur einer zugeordneten Wicklungslage (also nur in 33a, 33b, 33c oder 33d) angeordnet. Es liegen also sowohl die axialen Leiter¬ schenkel als auch die Wickelköpfe jeder Einzelspule innerhalb dieser zugeordneten Lage. Dabei liegen die beiden axialen Leiterschenkel, die zu einer Einzelspule gehören, nicht in benachbarten azimutalen Positionen der Wicklung. Im Aus- schnitt der Figur 4 ist beispielsweise innerhalb der inner¬ sten Lage 33a und auch innerhalb der äußersten Lage 33d je¬ weils der dargestellte Hinleiter +u mit dem dargestellten Rückleiter -u zu einer gemeinsamen Einzelspule verbunden. Vom Hinleiter +u aus gesehen liegt aber der Rückleiter -u erst in der überübernächsten azimutalen Position. Dazwischen liegen zwei azimutale Positionen, welche mit anderen Leiterzweigen +v und +w besetzt sind. Um trotz dieses Umstands Überkreuzun¬ gen zwischen den Einzelspulen (und somit eine Durchdringung der Leiter und/oder komplexe, ausladende Wickelköpfe) zu ver¬ meiden, weichen die Einzelspulen der dazwischenliegenden Leiterstränge +v und +w auf andere Wicklungslagen aus, nämlich hier auf die Lagen 33b und 33c. Die gezeigten dazwischenlie- genden axialen Leiterschenkel +v und +w sind jeweils inner¬ halb ihrer Wicklungslage mit zugehörigen Rückleitern -v
(links vom dargestellten Winkelsegment) und -w (im rechten Teil des dargestellten Ausschnitts) wiederum zu Einzelspulen verbunden, welche innerhalb ihrer Wicklungslage keine Durch- dringung oder Überkreuzung mit anderen Einzelspulen aufweisen .
Um die genaue Anordnung der Einzelspulen im ersten Ausführungsbeispiel und insbesondere die Vermeidung von Überkreu- zungen durch Ausweichen auf andere Wicklungslagen zu verdeutlichen, zeigt Figur 5 eine axiale Aufsicht des Stators in einem der axialen Endbereiche. Es ist also ein Schnitt durch einen Bereich dargestellt, in dem die Wickelköpfe der Einzel¬ spulen verlaufen und die einander zugeordneten Längsschenkel jeweils miteinander verbinden. Die Einzelspulen sind als Flachspulen 31 ausgestaltet, welche jeweils nur innerhalb einer der vier Wicklungslagen liegen. Auch hier ist die Zugehörigkeit dieser einzelnen Flachspulen 31 zu den 3 elektrischen Strängen u, v und w durch unterschiedliche Schraffur gekennzeichnet. Zum besseren Vergleich mit dem Ausschnitt der Figur 4 (im axial innenliegenden Querschnitt) ist das dort dargestellte Winkelsegment durch radiale Linien gekennzeich¬ net. Auch die beispielhaft mit dem Bezugszeichen 35i gekennzeichnete azimutale Position ist die gleiche wie in der Figur 4. Um den Vergleich weiter zu erleichtern, sind für die radial innenliegende Einzelspule, die mit dem Bezugszeichen u ge¬ kennzeichnet ist auch die in axialer Richtung dahinterliegen- den axialen Leiterschenkel mit den entsprechenden Bezugszei¬ chen +u und +u markiert.
Wie in den Figuren 3 und 5 zu erkennen, weist das Besetzungs¬ muster der azimutalen Positionen und der Wicklungslagen für dieses Beispiel eine zweizählige Symmetrie auf. Mit anderen Worten kann das Muster durch eine Rotation um 180° in sich selbst überführt werden. Für dieses Beispiel liegt jedoch keine Spiegelsymmetrie vor. Zur besseren Verdeutlichung der Wicklungsgeometrie zeigt Figur 6 noch eine schematische dreidimensionale Darstellung derselben Statorwicklung 4, wie sie in den Schnittdarstellungen der Figuren 3, 4 und 5 gezeigt ist. Gezeigt ist hier der Übersichtlichkeit halber nur eine Hälfte der Wicklung, die also senkrecht zur Achse halbiert ist. Hier ist zu erkennen, dass die Einzelspulen 31 als sattelförmige Flachspulen ausge¬ staltet sind, welche an die zylindermantelförmige Geometrie der jeweiligen Wicklungslage angepasst ist. Ein geometrischer Überlapp dieser einzelnen Sattelspulen ergibt sich aufgrund der speziellen Anordnung nur in radialer Projektion, nicht aber innerhalb der jeweils betrachteten Lage.
Figur 7 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung einer einzelnen sattelförmigen Flachspule 31. Diese Flachspu- le ist insgesamt nicht planar, sondern sie ist an die zylin¬ dermantelförmige Kontur ihrer Wicklungslage angepasst. Sie umfasst zwei sich axial erstreckender Leiterschenkel 21, wel¬ che in den beiden axialen Endbereichen 17 durch Wickelköpfe 23a miteinander verbunden sind. Alle diese Leiterabschnitte weisen eine flache Querschnittsform auf, bei der die Breite
37 der Leiterschenkel jeweils größer ist als die Dicke 39 der Leiterschenkel (also die Dicke in Richtung der Dicke der Wicklungslage) . Entgegen dem Eindruck, der durch die perspektivische Verzerrung der Figur 7 entstehen mag, soll der Quer- schnitt sowohl in Größe als auch Form für alle Schenkel der Einzelspule gleichbleibend sein.
Figur 8 zeigt eine Projektion eines Teils einer Flachspule 31, wie sie in einem erfindungsgemäßen Stator zum Einsatz kommen kann, in analoger Darstellung zur Figur 2. Gezeigt ist der axiale Endbereich 17 der Flachspule 31, also mit anderen Worten der Bereich, in dem die beiden axialen Leiterschenkel 21 einer solchen Spule in den zugehörigen Wickelkopf 23a übergehen. Für die Flachspule der Figur 8 ist hier sogar eine noch extremere U-förmige Ausgestaltung des Wickelkopfes 23a gezeigt als für die Flachspule der Figur 7. Im Beispiel der Figur 8 weist der mittlere Schenkel der U-Form einen längeren geraden Bereich auf, der von zwei abgerundeten Ecken flankiert ist. Eine solche Ausgestaltung ist nicht unbedingt nö¬ tig, kann aber besonders vorteilhaft sein, um die Ausdehnung des Wickelkopfes in axialer Richtung a besonders klein zu halten. Durch die entsprechende Verkürzung der axialen Länge des Wickelkopfes kann somit eine Verkürzung der axialen Länge der Maschine insgesamt erreicht werden, was wiederum zu einer besonders hohen Leistungsdichte führt. Um diese Verkürzung der axialen Länge zu verdeutlichen, ist in Figur 8 die axiale Ausdehnung eines herkömmlichen Wickelkopfes 23b aus einer verteilten Wicklung (ähnlich wie in den Figuren 1 und 2) durch gestrichelte Linien verdeutlicht.
Figur 9 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wickelschema einer Statorwicklung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Er- findung. Ein solches Wickelschema zeigt die Besetzung der einzelnen azimutalen Positionen 35i und der einzelnen Wicklungslagen der zylindermantelförmigen Statorwicklung in „abgerollter" Form. In Figur 9 ist allerdings nicht das volle Wickelschema für die Maschine nach dem zweiten Ausführungs- beispiel gezeigt, sondern nur ein 90 ° -Ausschnitt entsprechend der Figur 4. Im Unterschied zum Beispiel der Figur 4 weist das Wickelschema der Figur 9 nur 2 Wicklungslagen 33a und 33b auf. Bis auf das Fehlen der beiden äußeren Lagen 33c und 33d entspricht aber das Wickelschema der Figur 9 dem Wickelschema der Figur 4. Entsprechendes soll auch für die Fortsetzung des hier dargestellten Ausschnitts des Wickelschemas gelten. In der schematischen Darstellung der Figur 9 wird besonders deutlich, dass in diesem Beispiel nur die Hälfte der Positio¬ nen mit axialen Leiterschenkeln 21 der einzelnen Stränge u, v und w besetzt sind. An den anderen Plätzen des Rasters liegen unbesetzte Positionen 41 vor, was im Vergleich zu einer dichtesten Packung an axialen Leiterschenkeln zu einem Verlust an Füllfaktor der Wicklung führt. Vorteilhaft im Vergleich zu einer herkömmlichen Wicklung gemäß Figur 1 ist hier jedoch, dass durch die stabile Stapelung von Flachspulen hier keine radialen Haltezähne 7 (oder höchstens ganz schmale Zähne) zwischen den axialen Leiterschenkeln benötigt werden. So kann der Verlust an Füllfaktor durch die unbesetzten Positionen 41 zumindest zum Teil die Einsparung radialer Haltestrukturen kompensiert werden. Weiterhin können die unbesetzten Positionen 41 für andere funktionelle Strukturen genutzt werden. So kann der entsprechende Raum beispielsweise für die Anordnung von flachen Kühlkanälen 43 genutzt werden, wobei vorteilhaft jeweils ein solcher Kühlkanal radial benachbart zu einer be¬ setzten Position (also einem axialen Leiterschenkel 21) liegt. Alternativ können auch mehrere solche Kühlkanäle 43 innerhalb einer unbesetzten Position 41 geführt werden. In Figur 9 ist beispielhaft nur wenige einzelne Kühlkanale 43 gezeigt. Alternativ oder zusätzlich zu der Anordnung von Kühlkanälen können die unbesetzten Positionen aber auch mit anderen flachen Füllelementen 44 gefüllt sein, von denen eines in Figur 9 beispielhaft gezeigt ist. Solche Füllelemen- te können wiederum auch von einzelnen Kühlkanälen 43 durchsetzt sein.
In den Figuren 10 bis 12 sind weitere beispielhafte Variatio¬ nen von Wicklungsschemata für einen entsprechenden 90°-Aus- schnitt der Wicklung gezeigt: So zeigt Figur 10 einen Teil eines Wickelschemas für eine Statorwicklung mit sechs elek¬ trischen Strängen ul, u2, vi, v2, wl und w2. Um auch für diese erhöhte Strangzahl eine kreuzungsfreie Ausgestaltung der Statorwicklung mit nebeneinanderliegenden Einzelspulen und kurzen Wickelköpfen zu ermöglichen, ist hier die Statorwicklung im Vergleich zu Figur 9 auf die doppelte Anzahl von Wicklungslagen verteilt. Entsprechend liegt eine noch höhere Anzahl unbesetzter Positionen 41 vor, nämlich in diesem Beispiel 75% der zur Verfügung stehenden Plätze. Auch hier kön- nen die unbesetzten Positionen ganz oder teilweise durch hier nicht gezeigte Füllelemente und oder Kühlkanäle besetzt sein. Bei den bisher dargestellten Beispielen handelte es sich jeweils um ungesehnte Wicklungen. Prinzipiell können aber auch Statorwicklungen gemäß der vorliegenden Erfindung als gesehnte Wicklung ausgestaltet werden. Dies kann ähnlich wie beim Stand der Technik beispielsweise durch einen azimutalen Versatz zwischen den Wicklungslagen und/oder durch eine Änderung der Zonenbreite bewirkt werden. Figur 11 zeigt eine entspre¬ chende gesehnte Wicklung, die aus der Wicklung der Figur 9 durch einen azimutalen Versatz der einzelnen besetzten Zonen hervorgeht. Hierdurch ergeben sich einzelne azimutaler Positionen, bei denen (über mehrere Lagen betrachtet) ein Überlapp zwischen den einzelnen elektrischen Strängen vorliegt und es ergeben sich andere azimutalen Positionen, welche über alle Lagen betrachtet unbesetzt sein können. Figur 12 zeigt ein anderes Beispiel für eine gesehnte Wicklung, bei der die von elektrischen Strängen besetzten Zonen im Vergleich zum Beispiel der Figur 9 verbreitert sind. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft eine Erhöhung des Füllfaktors der Wicklung gegen¬ über den beim Schema der Figur 9 vorliegenden maximalen 50 %.

Claims

Patentansprüche
1. Stator (3) für eine elektrische Wechselstrommaschine (1),
- wobei der Stator (3) eine um eine zentrale Achse (A) ange- ordnete Statorwicklung (4) mit einer Mehrzahl von Leiterwindungen aufweist,
- wobei diese Leiterwindungen zu einer Mehrzahl n elektrischer Stränge (u,v,w) gruppiert sind,
- wobei die Statorwicklung (4) eine Mehrzahl m von Wicklungs- lagen ( 33a, 33b, 33c, 33d) aufweist
- wobei die Leiterwindungen eines Strangs (u,v,w) jeweils eine Mehrzahl i von axial ausgerichteten Leiterschenkeln (21) aufweisen, welche in ihren beiden axialen Endbereichen (17) paarweise durch jeweils zwei Wickelköpfe (23a) mitein- ander verbunden sind, so dass für jeden Strang (u,v,w) eine
Mehrzahl k von Einzelspulen (31) gebildet ist,
- wobei in Umfangsrichtung betrachtet die axialen Leiterschenkel (21) der einzelnen Stränge (u,v,w) in gleichblei¬ bendem Muster abwechselnd aufeinanderfolgen,
- wobei die beiden Wickelköpfe (23a) einer gegebenen Einzel¬ spule (31) innerhalb einer Wicklungslage ( 33a, 33b, 33c, 33d) verlaufen
- und wobei die Abfolge der axialen Leiterschenkel (21) der jeweiligen Stränge (u,v,w) und die Verteilung der Einzel- spulen (31) auf die einzelnen Wicklungslagen
( 33a, 33b, 33c, 33d) so gewählt sind, dass im Bereich der Wi¬ ckelköpfe (23a) Überkreuzungen innerhalb der einzelnen Wicklungslagen ( 33a, 33b, 33c, 33d) vermieden werden.
2. Stator (3) nach Anspruch 1, bei welchem alle Einzelspulen (31) jeweils vollständig innerhalb einer jeweils zugeordneten Wicklungslage ( 33a, 33b, 33c, 33d) liegen.
3. Stator (3) nach Anspruch 2, bei welchem für jede ausge- wählte Einzelspule (31), die in einer zugeordneten Wicklungs¬ lage ( 33a, 33b, 33c, 33d) liegt, ein axialer Schenkel (21) die¬ ser Einzelspule (31) in radialer Projektion mit einem innenliegenden Bereich einer anderen Einzelspule überlappt, welche in einer anderen Wicklungslage ( 33a, 33b, 33c, 33d) angeordnet ist .
4. Stator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Statorwicklung (4) als Luftspaltwicklung ausgestaltet ist.
5. Stator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die axialen Schenkel (21) der einzelnen Einzelspulen (31) über ein regelmäßiges Besetzungsmuster aus radialen und azimutalen Positionen verteilt sind.
6. Stator (3) nach Anspruch 5, wobei in dem regelmäßigen Besetzungsmuster eine Mehrzahl von Positionen (41) unbesetzt ist.
7. Stator (3) nach Anspruch 6, bei welcher im Bereich der unbesetzten Positionen (41) Kühlmittelkanäle (43) angeordnet sind .
8. Stator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Statorwicklung (4) eine gerade Anzahl m von Wicklungslagen ( 33a, 33b, 33c, 33d) , insbesondere zwei oder vier Wicklungslagen, aufweist.
9. Stator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Wickelköpfe (23a) U-förmig ausgestaltet sind.
10. Stator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Wickelköpfe (23a) Biegeradien aufweisen, welche in einem Bereich zwischen 5mm und 100mm liegen.
11. Stator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Einzelspulen (31) jeweils als sattelförmige
Flachspulen ausgestaltet sind.
12. Stator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Statorwicklung (4) als ungesehnte Wicklung ausgestaltet ist.
13. Stator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Statorwicklung (4) als gesehnte Wicklung ausgestaltet ist.
14. Elektrische Wechselstrommaschine (1) mit einem Stator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 14, welche zusätz¬ lich einen Rotor (11) aufweist, der mit wenigstens einer sup¬ raleitenden Erregerwicklung ausgestattet ist.
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