WO2021063822A1 - Spulenelement für eine elektrische maschine - Google Patents

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WO2021063822A1
WO2021063822A1 PCT/EP2020/076872 EP2020076872W WO2021063822A1 WO 2021063822 A1 WO2021063822 A1 WO 2021063822A1 EP 2020076872 W EP2020076872 W EP 2020076872W WO 2021063822 A1 WO2021063822 A1 WO 2021063822A1
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WO
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coil
winding
elements
conductor elements
turning
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PCT/EP2020/076872
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French (fr)
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Stefan Reuter
Ralf Wittstadt
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K15/04—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings, prior to mounting into machines
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Definitions

  • the present invention relates to a coil element for an electrical machine with a distributed winding and an electrical machine with a corresponding winding.
  • the object of the present invention is to provide a coil element which keeps the required installation space as small as possible, in particular in the axial direction.
  • Another task is a winding scheme which is easy and quick to produce and enables the electrical machine to be operated with high performance and low losses.
  • a coil element for a coil of an electrical machine comprising at least two parallel conductor elements for arrangement in grooves of a coil body and at least one connecting section which connects the conductor elements to one another, wherein the conductor elements and the connecting section are formed in one piece, characterized in that only at a transition from a conductor element to the connecting section, a bending point is provided in a plane spanned by the two conductor elements, and that the connecting section runs in a straight line.
  • coil strands are used, which are formed from one or more Spulenelemen th from a piece of an electrically conductive material, for example copper wire, in particular with a rectangular cross section.
  • Coil elements as so-called hairpins, which in their initial form consist of two parallel conductor elements and a turning area connecting the conductor elements exist.
  • wave-shaped coil elements are also possible, please include a plurality of parallel conductor elements, two conductor elements being connected to one another via a turning area.
  • the terms hairpin, wavy conductor or waveguide also include coil elements in the sense of the application.
  • the conductor elements are placed in layers in the circumferential, axially extending grooves of a bobbin to form the winding.
  • the turning area in each case comprises a transition adjoining the conductor elements, in which the conductive material is bent in the direction of the respective other conductor element by a bending point.
  • the transitions are connected in one piece by a connecting portion that is viewed in a straight line in the radial direction. Due to the straight course, the required axial installation space for the coil head can be reduced and thus a compact design can be achieved.
  • Embodiments of a coil element are characterized in that the bending point is divided in the transition into two partial bending points connected by a straight intermediate section.
  • the bending point is divided into several partial bending points.
  • the partial bending points are advantageously connected by straight intermediate sections in order to space the areas of the insulating coating that are stressed by the bending.
  • Coil elements according to embodiments are characterized in that the connecting section has two further bending points in a plane which runs perpendicular to the plane spanned by the conductor elements, and that the further bending points are bent in opposite directions.
  • the conductor elements are arranged in different positions in the case of hairpins or alternately in different positions of the grooves in the case of waveguides. So that the turning areas, viewed in the axial direction, can be guided past one another over the circumference of the coil head, there is an S-shaped profile in the connecting section two opposing bending points provided. Due to the S-shaped profile, the connection areas can be arranged better next to one another in the radial direction, which saves space in the axial construction.
  • the two further bending points divide the connecting section into several areas and two of the areas run parallel.
  • the further bending points can be provided with a relatively large radius and merge directly into one another.
  • the further bending points share the connec tion section, however, in two rectilinear areas, viewed in the axial direction, which run parallel to one another.
  • a further straight loading area can be provided between the further bending points.
  • Coil elements according to embodiments are characterized in that the connection section or at least a region of the connection section delimited by bending points extends in a curved manner in a plane running perpendicular to the conductor elements.
  • the connecting section or areas of the connecting section it is also possible for the connecting section or areas of the connecting section to extend in a curved manner in a plane perpendicular to the conductor elements, that is to say in a radial plane. With this, too, the order of the turning areas can be improved in the radial direction and thus axial construction space can be saved.
  • Embodiments of coil elements are characterized in that the connecting section lies in a plane running perpendicular to the conductor elements.
  • the connecting portion is arranged parallel to the axial end of the Spulenkör pers, the required construction space can also be kept ge ring in the axial direction.
  • the wave winding can consist of several coil strands, which in turn are composed of several coil elements, such as hairpins, which are connected to one another in an electrically conductive manner, or each comprise one or more waveguides.
  • Embodiments of a wave winding are characterized in that at least two different coil elements are provided, which protrude with their connecting sections in the axial direction to different lengths over the coil body, and that at least the coil elements protruding further over the coil body are at least partially designed as coil elements according to the description .
  • coil elements according to the invention can reduce the required axial installation space.
  • the invention thus comprises a wave winding, which is a distributed winding in which the coils of the winding each over the circumference of the electrical Machine are distributed.
  • the electrical machine has at least one phase, in which several phases, in particular three phases, can also be provided.
  • a fixed number of magnetic poles is provided, which are distributed over an order of the electrical machine, this number corresponds to the number of poles and is an even number, since there is an equal number of magnetic north and south poles.
  • Either the rotor, the stator or the rotor and stator of the electrical machine have grooves for receiving the shaft winding.
  • Several coil strands connected in parallel can also be provided for each phase.
  • the electrical machine preferably has a number of holes of at least three, which means that a number of slots corresponding to the number of holes in the circumferential direction is provided for each pole.
  • the coil strands each have a connection pin at their two ends and are each divided into several sub-strands connected in series.
  • Each partial strand has a plurality of conductor elements corresponding to the number of poles of the electrical machine and thus extends once around the circumference.
  • Two adjacent conductor elements are each connected to one another by a turning area to form a hairpin.
  • the conductor elements are received in layers in the grooves and in each case two layers which are adjacent in the radial direction form a double layer, the conductor elements of a partial strand preferably being arranged in a double layer.
  • Each hairpin has contact areas at its free ends.
  • the turning area is preferably designed in one piece with the conductor elements.
  • the contact area is designed as a contact pin, which is connected to a corresponding contact pin of an adjacent hairpins of the coil strand for an electrically conductive connection, for example welding.
  • the contact area can also be designed as a connection pin, which is designed to connect the coil strand, more precisely the two ends of a coil strand, to power electronics for controlling the electrical machine.
  • contact pins and connection pins have the same geometric design, which reduces the number of different parts, which reduces costs and assembly effort, with different geometries also being possible, for example to facilitate the connection to the power electronics.
  • Wave windings according to the invention have two different variants of hairpins.
  • the turning area between the conductor elements has a shortened winding pitch WK.
  • the shortened winding step WK is one smaller than a theoretical standard winding step WS, which represents the distance between the grooves of the conductor elements to the theoretical value from the product of the number of holes and the number of phases, with the same per pole Groove position, for example right, middle or left with a number of holes of three, is occupied.
  • a change between the grooves is achieved through the shortened winding step WK.
  • the first variant of hairpins changes the conductor elements of a partial strand between adjacent grooves of the successive ones connected via the turning area of the hairpin , Pole. There is thus a change from a right to a middle or from a middle to a left groove, depending on the viewing direction and a number of holes of three.
  • Hairpins are therefore also provided in a second variant, the hairpins of the second variant having an extended winding step WL which is greater than the shortened winding step WK by the value of the number of holes q.
  • Both variants have in common that the contact areas are each shaped by half the standard winding pitch WS in the turning area in the opposite direction in order to achieve the standard winding pitch WS between interconnected conductor elements of adjacent hairpins.
  • wave windings according to the invention have a uniform winding step on the axial side of the contact areas for all layers, whereby the production as well as the connection binding, for example by welding, the corresponding contact areas with each other is simplified.
  • the deformation takes place per layer alternately in the opposite circumferential direction, since the conductor elements of each hairpin are arranged in different layers of a double layer.
  • a wave winding is characterized in that the coil element has several turning areas W, both turning areas W with a shortened winding pitch WK and with a lengthened winding pitch WL are provided. If waveguides are used, the coil elements have a plurality of turning areas W at both axial ends of the coil former. In order to achieve a desired winding pattern, turning areas W with at least partially different winding steps are therefore provided on a waveguide as Spu lenelement.
  • FIG. 1 For example analogous to the previously described embodiments with hairpins, turning areas with a standard winding step WS alternating with other winding steps are advantageously provided, so that these are on an axial side of the bobbin.
  • Embodiments of a wave winding are characterized in that the turning area W of the hairpins with an extended winding pitch WL continues axially over an NEN bobbin protrudes as the turning area W of the hairpins with a shortened winding pitch WK.
  • the turning areas of the hairpins connect the conductor elements in the grooves of the bobbin at one axial end of the bobbin.
  • the turning areas of the hairpins with a shortened winding step can be arranged next to one another and lead out with the same, preferably low, height.
  • the turning areas of the hairpins with an extended winding step protrude axially beyond the bobbin and span the turning areas with a shortened winding step.
  • Wave windings according to embodiments are characterized in that at least one hairpin with an extended winding pitch WL and at least two hairpins with a shortened winding pitch WK are provided per partial strand.
  • each partial strand has, on average, a distance between the conductor elements which corresponds to the standard winding pitch.
  • a number of hairpins with a shortened winding step corresponding to the number of holes minus one is provided for each hairpin with an extended winding step.
  • Embodiments of a wave winding are characterized in that at least one hairpin of a third variant is additionally provided per partial strand, which has a turning area W with a standard winding pitch WS. In this way, depending on the design, longer partial strands can also be provided, in which the average winding pitch corresponds to the standard winding pitch.
  • Embodiments of a wave winding are characterized in that the conductor elements per partial strand run through each of the slots associated with the number of holes with the same number of times. As a result, a high degree of symmetry is achieved for the coil strands, which is advantageous, among other things, with regard to reduced losses.
  • flair pins of a third variant are provided, these are provided with a number corresponding to the number of holes, or a multiple thereof, and are preferably arranged between the hairpins of the first and second variant.
  • Wave windings according to embodiments are characterized in that an integral multiple of parallel-connected coil strands are provided. Coils advantageously have several parallel strands. The same number of parallel strings are preferably provided for each phase, which is why an integral multiple of the number of phases is provided on parallel strings.
  • Embodiments of a wave winding are characterized in that the connection pins of the parallel coil strands are each arranged in the same pole. Due to the arrangement in the same pole, the outlay for interconnecting the coil strands can be simplified and made smaller. Thus, construction space can be saved.
  • Wave windings according to embodiments are characterized in that the two connection pins of a coil strand are arranged in the same position. Space can also be saved if both connection pins of a coil strand are arranged in the same, preferably outer, layer, since the interconnection makes them smaller or can only be arranged from one side or the connection pins can easily be reshaped in the radial direction .
  • Alternative embodiments of wave windings are characterized in that the two connection pins of a coil strand are arranged in directly adjacent layers of a double layer. Apart from the deformability in the radial direction, these embodiments have the same advantages as the aforementioned with an arrangement in one layer. Further alternative embodiments of a wave winding are characterized in that in each case one of the two connection pins of a coil strand is arranged in the radial inner layer and in the radially outer layer. Such an arrangement also provides easy access to the connection pins and it may be sufficient for the coil strands to pass through the coil body only once in the radial direction.
  • Embodiments of wave windings are characterized in that a part of each coil strand, which comprises at least one partial strand, is wound in the circumferential direction in the opposite direction, that the change in direction of the winding between the partial strands takes place in an outer position in the radial direction, that the connection is gebil det between the parts of the coil strand with different Licher direction of the winding by a bridge element or a deformed in the radial Rich direction and opposite circumferential direction contact area K, which are electrically connected to the contact areas K of the hairpins.
  • bridge elements By using bridge elements, the uniform deformation of the contact areas of the hairpins can be maintained, which simplifies production and at the same time an electrically conductive connection between the corresponding sub-strands can be achieved.
  • the bridge element can be used to easily create a connection over a required circumferential area. Another advantage is that, depending on the installation space available for the electrical machine, the bridge element is arranged either with an axial or particularly preferably with a radial orientation.
  • one of the corresponding contact areas can also be deformed radially outward and in the opposite circumferential direction in order to achieve a direct connection between the contact areas. This makes the forming process of the contact areas somewhat more complex, but the bridge elements and their positioning are omitted.
  • stator or a rotor for an electrical cal machine which is characterized in that the stator is provided with a wave winding according to the preceding description and an electrical cal machine in which a wave winding according to the above description is provided .
  • Fig. 1 a & 1 b each show a part of a coil element seen in the radial direction.
  • Fig. 3 shows a comparison of different turning areas side by side.
  • Fig. 4 shows a coil with a wave winding in a perspective view.
  • Fig. 5 shows an example of a winding scheme for a coil strand.
  • FIGS. 1 a and 1 b each show an exemplary embodiment of a coil element (6), only one turning area W with adjoining conductor elements (10) being shown is. If the coil element (6) is designed as a hairpin, contact areas K (not shown) are connected to the Lei terimplantation (10), if the coil element (6) is designed as a waveguide, a further turning area W or a correspondingly close to the conductor elements (10) Connection pin (5).
  • FIG. 1 a Both in Fig. 1 a and in Fig. 1 b, two parallel autismele elements (10) are shown, which are connected via a turning area W.
  • the turning area W each comprises a transition (9) adjoining the conductor elements (10) and a connecting section (8) arranged between the transitions (9).
  • a bending point (11; 11 ‘) is provided in the transition (9).
  • the connecting section (8) runs in a straight line in the plane shown, which is also spanned by the parallel conductor elements (10).
  • the transitions (9) each have two partial bending points (11 ‘), which together form the bending point (11), and a straight section in between.
  • transition (9) is formed by a continuously extending Bie frames (11).
  • FIGS. 2a and 2b each show an exemplary embodiment of a coil element (6), seen from an axial direction, whereby the plane shown runs perpendicular to the conductor elements (10).
  • FIGS. 2a and 2b also show a structure that is basically the same, with only the turning area W also being shown.
  • a transition (9) adjoins the connecting section (8) at both ends.
  • the connecting section (8) there are two further bending points (12) which are bent in opposite directions.
  • the further bending points (12) achieve an offset in the connecting section (8) with which, for example, changing the conductor elements (10) between different layers of the grooves (3) is simplified.
  • the other bending points (12) divide the connecting section into two parallel areas. Executions are also possible in which the further bending points (12) do not follow one another directly, but are separated from one another by a further area of the connecting section (8), as a result of which a greater offset can be achieved.
  • a common curvature is superimposed on the transitions (9) and the connecting section (8) in order to adapt their course to the diameter of a coil former (2).
  • a curvature can also be provided only at the transitions (9) or the connecting section (8).
  • Figures 1 a, 1 b, 2a and 2b are each with a symmetrical structure provides Darge.
  • embodiments are also possible which are not symmetrical and, for example, the transitions (9) are not designed in the same way or the further bending points (12) are not provided in the center of the connecting section (8).
  • bobbins (2) with wave windings are shown as comparative examples ne side by side.
  • the wave windings have the same winding scheme.
  • the coil elements (6 ‘) protruding axially further beyond the coil body (2) are designed differently.
  • the right comparative example with coil elements according to an embodiment according to the invention requires less installation space in the axial direction.
  • the coil can be made more compact in the axial direction or requires less space.
  • Fig. 4 shows a bobbin with a wave winding (1) according to the left comparison example according to FIG. 3, here as a stator.
  • a fol lowing wave winding described is also th with Spulenelemen according to the invention (6, 6 ') can be formed.
  • the stator has a coil body (2) in which grooves (3) are formed to accommodate the wave winding.
  • Robertele elements (10) are introduced in the example shown within the framework of Flairpins (6, 6 '), where several conductor elements (10) are introduced in layers for each groove (3).
  • the hairpins (6, 6 ') of the example shown each comprise two conductor elements (10), a turning area W in which the conductor elements (10) are integrally connected to one another, and contact areas K at the ends of the hairpins (6, 6').
  • the hairpins (6, 6 ') are, apart from the respective first and last hairpins (6, 6') of the individual coil strands, in their contact areas K with two contact pins (4) which each lead to the adjacent hairpin (6, 6) in the coil strand. 6 '), more precisely, be nem corresponding contact pin (4) are electrically connected.
  • the first and last hairpin (6, 6 ') of a coil strand has a contact pin (4) for connection to the adjacent hairpin (6, 6') of the coil strand and a connection pin (5) for connection to power electronics, not shown.
  • all contact pins (4) of the wave winding are arranged on the same axial side of the bobbin (2), whereby the turning areas W of the hairpins (6, 6 ') are accordingly on the opposite axial side of the bobbin (1 ) are arranged.
  • a uniform pattern with parallel turning areas W with a shortened winding pitch WK is formed, each of which is spanned by a turning area W with an extended winding pitch WL.
  • a number of hairpins (6) of the first variant with a shortened winding pitch WK and a hairpin (6 Hair) of the second variant with an extended winding pitch WL per pole are each provided adjacent to the number of holes q minus one.
  • two hairpins (6) of the first variant and one hairpin (6 ‘) of the second variant are each change from the right groove (3) to a middle groove (3) or from a middle groove (3) to a left groove (3) in the adjacent layer.
  • the hairpin (6 ‘) of the second variant is always used to switch between a left groove (3) and a right groove (3) in the adjacent layer.
  • FIG. 5 shows a winding scheme for a first coil strand analogous to the one shown in FIG.
  • grooves (3) with a number of holes of three, an embodiment with 54 grooves (3) being shown.
  • a development of the grooves (3) is shown with a representation of the eight layers here, and thus four double layers, per groove (3).
  • the conductor elements of the hairpins (6, 6 ') for parallel strands of a pole are shown in the three grooves (3) per pole and numbered in such a way that the number each has a letter for the strand and a two-digit Number includes.
  • the two conductor elements of the respective hairpin (6, 6 ‘) are differentiated with capital and small letters.
  • the first number indicates the double layer in which the hairpin (6, 6 ') is arranged, and the second number stands for consecutive numbering of the hair pins (6, 6') in the direction of current flow in this double layer .
  • connection pins (5) or, in other words, the corresponding first and last conductor elements of the coil strands are marked with arrows, the arrows for differentiating the different strands being shown with solid lines, dashed lines or dotted lines.
  • connection pins (5) of the individual coil strands are each provided in the radially outer position of the wave winding and the connection pins (5) of the parallel coil strands are each arranged in the same pole. Due to the arrangement in the radially outer layer, a connection to the power electronics can be made in the radial direction, so that no or only minimal construction space is required in the axial direction. Due to the arrangement in the same pole, the connection pins (5) for the cathode and the anode are each net angeord directly adjacent. The connection pins (5) of the parallel coil strands for the cathode and the anode are offset by one pole of the coil strand in the circumferential direction. Due to this training, only a small area of the scope is required for connection to the power electronics.
  • hairpins of the second variant are provided with an extended winding step WL.
  • two hairpins (6) of the first variant with a shortened winding pitch WK are provided in the exemplary embodiment shown in order to switch from a right to a middle groove (3) or from a middle to a left groove (3).
  • only hairpins (6, 6 ') of the first and second variant are provided. This achieves a high degree of symmetry, which reduces losses.
  • hairpins of a third variant with a standard winding step WS can also be provided.
  • the coil strands each first run through the radially outer double layer with the first partial strand.
  • the first sub-strand passes through a corresponding connection of the contact pins (4) into the second sub-strand, which runs through the next double layer in the same direction of the winding, analogous to the first sub-strand.
  • This transition between the double layers is shown in Fig.
  • the electrically conductive connection to the first contact pin (4) of the here fifth sub-strand is made by a bridge element (7).
  • a winding step corresponding to the standard winding step WS is carried out by the bridge element (7).
  • bridge elements (7) with different winding steps corresponding, for example, to the lengthened or shortened winding step are possible in order to switch between the grooves (3) at the transition between the partial strands.
  • the corresponding last or first contact pins (4) can be reshaped in the radial direction into a further layer and this to one of the original positions opposite circumferential direction are formed in order to be connected to the corresponding contact pin (4) directly, in the manner of the further contact pins (4), for example by means of welding.
  • the fifth part here which runs through the grooves in the opposite direction in the ra dial inner double layer, then merges into the sixth part, which also runs through the grooves (3) in the adjacent double layer. This transition is also indicated by way of example with an arrow with a dash-dot line.
  • the partial strands running back to the radially outer layer have an analogous structure to the aforementioned partial strands.
  • the last hairpin of the eighth partial strand here has at its end, which also shows the end of the coil strand, correspondingly to the connection pin (5) for connection to the power electronics.
  • connection pins (5) are provided on the radially inner layer or also embodiments in which connection pins (5) are provided on both the radially outer and the radially inner layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spulenelement (6, 6') für eine Spule einer elektrischen Maschine umfassend mindestens zwei parallel verlaufenden Leiterelemente (10) zu Anordnung in Nuten (3) eines Spulenkörpers (2) und mindestens einem Verbindungsabschnitt (8) der die beiden Leiterelemente (10) miteinander verbindet, wobei die Leiterelemente (10) und der Verbindungsabschnitt (8) einteilig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass nur an einem Übergang (9) von einem Leiterelement (10) zu dem Verbindungsabschnitt (8) eine Biegestelle (11, 11') in einer von den beiden Leiterelementen (10) aufgespannten Ebene vorgesehen ist, und dass der Verbindungsabschnitt (8) geradlinig verläuft. Weitere Aspekte der Erfindung sind eine Wellenwicklung für eine elektrische Maschine mit zumindest einem derartigen Spulenelement sowie eine elektrische Maschine.

Description

Spulenelement für eine elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spulenelement für eine elektrische Maschine mit einer verteilten Wicklung sowie eine elektrische Maschine mit einer entsprechen den Wicklung.
Im Stand der Technik ist beispielsweise aus DE 102014223202 A1 bekannt, dass bei einer elektrischen Maschine verteilte Wicklungen mit mehreren sich über den Umfang verteilten Strängen aus Leiter vorgesehen werden.
Ein weiteres Beispiel für den Stand der Technik ist in WO 2007/146252 gezeigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung ein Spulenelement, wel ches den benötigten Bauraum, insbesondere in axialer Richtung, möglichst gering hält. Eine weitere Aufgabe ist ein Wickelschema, welches einfach und schnell herzu stellen ist sowie einen Betrieb der elektrischen Maschine mit hoher Leistung und ge ringen Verlusten ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Spulenelement sowie einer Wellenwicklung und einer elektrischen Maschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist ein Spulenelement für eine Spule einer elektrischen Maschine umfassend mindestens zwei parallel verlaufenden Leiterelemente zu Anordnung in Nuten eines Spulenkörpers und mindestens einem Verbindungsabschnitt der die bei den Leiterelemente miteinander verbindet, wobei die Leiterelemente und der Verbin dungsabschnitt einteilig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass nur an ei nem Übergang von einem Leiterelement zu dem Verbindungsabschnitt eine Biege stelle in einer von den beiden Leiterelementen aufgespannten Ebene vorgesehen ist, und dass der Verbindungsabschnitt geradlinig verläuft.
Für Spule einer elektrischen Maschine, insbesondere mit einer verteilten Wicklung, werden Spulenstränge verwendet, welche aus einem oder mehreren Spulenelemen ten aus einem Stück eines elektrisch leitenden Materials, beispielsweise Kupferdraht insbesondere mit rechteckigem Querschnitt, gebildet werden. Verbreitet sind hierbei Spulenelemente als sogenannte Hairpins, welche in ihrer Ausgangsform aus zwei parallel verlaufenden Leiterelementen und einem die Leiterelemente verbindenden Wendebereich bestehen. Alternativ sind auch wellenförmige Spulenelemente mög lich, welche eine Vielzahl parallel verlaufender Leiterelemente aufweisen, wobei je weils zwei Leiterelemente über einen Wendebereich miteinander verbunden sind. Im Weiteren sind mit den Begriffen Hairpin, wellenförmiger Leiter beziehungsweise Wel lenleiter ebenfalls Spulenelemente im Sinne der Anmeldung umfasst. Die Leiterele mente werden lagenweise in über den Umfang verteilten, in axialer Richtung verlau fenden Nuten eines Spulenkörpers eingebracht, um die Wicklung zu bilden.
Der Wendbereich umfasst jeweils einen sich an den Leiterelementen anschließenden Übergang, bei dem durch eine Biegestelle das leitende Material in Richtung des je weils anderen Leiterelements gebogen ist. Die Übergänge sind durch einen in radia ler Richtung betrachtet geradlinig verlaufenden Verbindungsabschnitt einteilig ver bunden. Durch den geradlinigen Verlauf kann der benötigte axiale Bauraum für den Spulenkopf reduziert werden und somit eine kompakte Bauform erreicht werden.
Ausführungsformen eines Spulenelements sind dadurch gekennzeichnet, dass die Biegestelle im Übergang in zwei durch einen geraden Zwischenabschnitt verbundene Teilbiegestellen aufgeteilt ist. Um den Biegewinkel pro Biegestelle zu verringert und damit auch die Belastung einer gegebenenfalls am leitenden Material vorgesehen isolierenden Beschichtung beziehungsweise die Gefahr deren Beschädigung zu ver ringern, ist die Biegestelle in mehrere Teilbiegestellen aufgeteilt. Die Teilbiegestellen sind vorteilhafterweise durch gerade Zwischenabschnitte verbunden, um die durch die Biegung belasteten Bereich der isolierenden Beschichtung zu beabstanden.
Spulenelemente gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass am Verbindungsabschnitt zwei weitere Biegestellen in einer Ebene, welche senkrecht zu der von den Leiterelementen aufgespannten Ebene verläuft, aufweist, und dass die weiteren Biegestellen in gegenläufige Richtungen gebogen sind. Die Leiterelemente werden bei Hairpins in unterschiedlichen Lagen beziehungsweise bei Wellenleiter wechselweise in unterschiedlichen Lagen der Nuten angeordnet. Damit die Wende bereiche in axialer Richtung betrachtet über den Umfang des Spulenkopf aneinander vorbei geführt werden können, ist im Verbindungsabschnitt ein S-förmiger Verlauf mit zwei gegenläufigen Biegestellen vorgesehen. Aufgrund des S-förmigen Verlaufs kön nen die Verbindungsbereich besser in radialer Richtung nebeneinander angeordnet werden, wodurch axialer Bau raum eingespart wird.
Weitere Ausführungsformen der Spulenelemente sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden weiteren Biegestellen den Verbindungsabschnitt in mehrere Bereiche tei len und zwei der Bereiche parallel verlaufen. In axialer Richtung betrachtet können die weiteren Biegestellen mit einem relativ großen Radius vorgesehen sein und direkt ineinander übergehen. Vorteilhafterweise teilen die weiteren Biegestellen den Verbin dungsabschnitt allerdings in zwei in axialer Richtung betrachtet geradlinig verlaufen den Bereiche, welche parallel zueinander verlaufen.
Gegebenenfalls kann zwischen den weiteren Biegestellen ein weiterer gerader Be reich vorgesehen sein.
Spulenelement gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt oder zumindest ein durch Biegestellen begrenzter Bereich des Verbindungsabschnitts in einer senkrecht zu den Leiterelementen verlaufenden Ebene gebogen verläuft. Alternativ oder zusätzlich zu einem S-förmigen Verlauf mit weiteren Biegestellen, ist es ebenfalls möglich, dass der Verbindungsabschnitt oder Bereiche des Verbindungsabschnitts in einer senkrecht zu den Leiterelementen ver laufenden, also einer radialen, Ebene gebogen verlaufen. Auch hiermit kann die An ordnung der Wendebereiche in radialer Richtung verbessert und somit axialer Bau raum eingespart werden.
Ausführungsformen von Spulenelementen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt in einer senkrecht zu den Leiterelementen verlaufenden Ebene liegt. Indem der Verbindungsabschnitt parallel zu dem axialen Ende des Spulenkör pers angeordnet wird, kann ebenfalls der benötigte Bau raum in axialer Richtung ge ringgehalten werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Wellenwicklung für eine elektrische Ma schine mit zumindest einem Spulenelement gemäß der Beschreibung. Hiermit kön- nen die beschriebenen Vorteile für die Wellenwicklung genutzt werden. Die Wellen wicklung kann hierbei aus mehreren Spulensträngen bestehen, welche jeweils wie derum aus mehreren, miteinander elektrisch leitend verbundenen, Spulenelementen, wie Hairpins, zusammengesetzt sind, oder jeweils einen oder mehrere Wellenleitern umfassen.
Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass min destens zwei unterschiedliche Spulenelemente vorgesehen sind, welche mit ihren Verbindungsabschnitten in axialer Richtung unterschiedlich weit über den Spulenkör per vorstehen, und dass zumindest die weiter über den Spulenkörper vorstehenden Spulenelemente zumindest teilweise als Spulenelemente gemäß der Beschreibung ausgebildet sind. Insbesondere bei axial weiter über den Spulenkörper vorstehenden Wendebereichen ist durch erfindungsgemäße Spulenelemente eine Reduzierung des benötigten axialen Bauraums erreichbar.
Wellenwicklung sind gemäß Ausführungsformen dadurch gekennzeichnet, dass meh rere Phasen und eine Lochzahl q von zumindest drei vorgesehen ist, dass die Wel lenwicklung einen Standard-Wickelschritt WS von WS = q*m aufweist, wobei q der Lochzahl und m der Anzahl der Phasen entspricht, dass zumindest eine der Loch zahl q entsprechende Anzahl an Spulensträngen parallel geschalten vorgesehen sind, wobei die Spulenstränge jeweils zumindest ein Spulenelement mit zumindest einem Wendebereich W umfasst, wobei der Wendebereich W den Verbindungsab schnitt und die benachbarten Übergänge beinhaltet, dass zwei unterschiedliche Vari anten von Spulenelementen vorgesehen sind, dass bei einer ersten Variante der Spulenelemente der Wendebereich W zwischen den Leiterelementen einen verkürz ten Wickelschritt WK aufweist, dass bei einer zweite Variante der Spulenelemente der Wendebereich W einen verlängerten Wickelschritt WL aufweist, und dass zumin dest die zweite Variante durch Spulenelemente gemäß der Beschreibung ausgebil det ist.
Die Erfindung umfasst somit eine Wellenwicklung, welche eine verteilte Wicklung darstellt, bei der die Spulen der Wicklung jeweils über den Umfang der elektrischen Maschine verteilt sind. Die elektrische Maschine weist zumindest eine Phase auf, wo bei auch mehrere Phasen, insbesondere drei Phasen, vorgesehen sein können. Es ist eine festgelegte Anzahl von magnetischen Pole vorgesehen, die über einen Um fang der elektrischen Maschine verteilt sind, diese Anzahl entspricht der Polzahl und ist geradzahlig, da jeweils eine gleiche Anzahl von magnetischen Nord- und Südpo len vorliegt. Entweder der Rotor, der Stator oder Rotor und Stator der elektrischen Maschine weisen Nuten für die Aufnahme der Wellenwicklung auf. Pro Phase kön nen auch mehrere Spulenstränge parallel geschalten vorgesehen sein. Bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Lochzahl von mindestens drei auf, was bedeutet, dass pro Pol eine der Lochzahl entsprechende Anzahl in Umfangsrichtung benach barter Nuten vorgesehen ist. Die Spulenstränge weisen an Ihren beiden Enden je weils einen Anschlusspin auf und sind jeweils in mehrere in Reihe geschaltene Teil stränge aufgeteilt. Jeder Teilstrang weist dabei eine der Polzahl der elektrischen Ma schine entsprechende Mehrzahl von Leiterelementen auf und erstreckt sich somit einmal um den Umfang. Zwei benachbarte Leiterelemente sind jeweils durch einen Wendebereich miteinander zu einem Hairpin verbunden. Die Leiterelemente sind in Lagen in den Nuten aufgenommen und jeweils zwei in radialer Richtung benachbarte Lagen bilden eine Doppellage, wobei vorzugsweise die Leiterelemente eines Teil strangs in einer Doppellage angeordnet sind.
Jeder Hairpin weist an seinen freien Enden Kontaktbereiche auf. Der Wendebereich ist jeweils vorzugsweise einteilig mit den Leiterelementen ausgebildet. Um benach barte Hairpins miteinander zu verbinden ist der Kontaktbereich als Kontaktpin ausge führt, welcher zur elektrisch leitfähigen Verbindung, zum Beispiel Verschweißen mit einem entsprechenden Kontaktpin eines benachbarten Hairpins des Spulenstrangs verbunden wird. Der Kontaktbereich kann auch als Anschlusspin ausgeführt sein, welcher zum Anschluss des Spulenstrangs, genauer der beiden Enden eines Spu lenstrangs, an eine Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Vorteilhaft weisen Kontaktpins und Anschlusspins eine gleiche geo metrische Ausbildung auf, wodurch die Anzahl unterschiedlicher Teile reduziert wird, was die Kosten und den Montageaufwand verringert, wobei auch unterschiedliche Geometrien möglich sind, um beispielsweise die Anbindung an die Leistungselektro nik zu erleichtern. Wellenwicklungen gemäß der Erfindung weisen zwei unterschiedliche Varianten von Hairpins auf. Hierfür weist bei einer ersten Variante der Hairpins der Wendebereich zwischen den Leiterelementen einen verkürzten Wickelschritt WK auf. Der verkürzte Wickelschritt WK ist dabei um eins kleiner als ein theoretischer Standard-Wickel schritt WS, welcher den Abstand zwischen den Nuten der Leiterelemente auf den theoretischen Wert aus dem Produkt aus der Lochzahl und der Anzahl Phasen dar stellt, bei dem pro Pol stets die gleiche Nutposition, beispielsweise rechts, Mitte oder links bei einer Lochzahl von drei, belegt wird. Durch den verkürzten Wickelschritt WK wird ein Wechsel zwischen den Nuten erreicht. Aufgrund des Zusammenhangs WK = WS - 1 , wobei WK den verkürzten Wickelschritt und WS den Standard-Wickel schritt darstellt, erfolgt durch die erste Variante von Hairpins ein Wechsel der Lei terelemente eines Teilstrangs zwischen benachbarten Nuten der aufeinanderfolgen den, über den Wendebereich des Hairpins verbundenen, Pole. Es erfolgt somit ab hängig von der Blickrichtung und einer Lochzahl von drei ein Wechsel von einer rech ten auf eine mittlere beziehungsweise von einer mittleren auf eine linke Nut.
Es sind daher ebenfalls Hairpins in einer zweiten Variante vorgesehen, wobei die Hairpins der zweiten Variante einen verlängerten Wickelschritt WL aufweisen, der um den Wert der Lochzahl q größer als der verkürzte Wickelschritt WK ist. Der verlän gerte Wickelschritt WL kann auch mit der Formel WL = WK + q dargestellt werden, wobei q den Wert der Lochzahl, WL den verlängerten Wickelschritt der zweiten Vari ante von Hairpins und WK den verkürzten Wickelschritt der ersten Variante von Hair pins darstellt. Durch diese Hairpins mit einem verlängertem Wickelschritt WL wird zwischen den äußeren Nutpositionen aufeinanderfolgender Leiterelemente gewech selt, von der linken auf die rechten Nut, wobei die Bezeichnungen links und rechts hierbei von der Blickrichtung abhängig sind.
Beiden Varianten ist gemein, dass die Kontaktbereiche jeweils um den halben Stan dard-Wickelschritt WS in dem Wendebereich entgegengesetzter Richtung umgeformt sind, um zwischen miteinander verbundenen Leiterelementen benachbarter Hairpins den Standard-Wickelschritt WS zu erreichen. Anders ausgedrückt, weisen erfin dungsgemäße Wellenwicklungen auf der axialen Seite der Kontaktbereiche für alle Lagen einen einheitlichen Wickelschritt auf, wodurch die Herstellung sowie die Ver- bindung, zum Beispiel durch Schweißen, der entsprechenden Kontaktbereiche mitei nander vereinfacht wird. Die Umformung erfolgt dabei pro Lage abwechselnd in ent gegengesetzte Umfangsrichtung, da die Leiterelemente jedes Hairpins in unter schiedlichen Lagen einer Doppellage angeordnet sind.
Weitere Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass das Spulenelement mehrere Wendebereiche W aufweist, wobei sowohl Wende bereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK als auch mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen sind. Werden Wellenleiter verwendet, weisen die Spulenelemente mehrere Wendebereiche W an beiden axialen Enden des Spulenkörpers auf. Um ein gewünschtes Wickelschema zur Erreichen sind daher an einem Wellenleiter als Spu lenelement Wendebereiche W mit zumindest teilweise unterschiedlichen Wickel schritten vorgesehen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekenn zeichnet, dass sich entlang des Spulenelements Wendebereiche W mit verlängertem Wickelschritt WL und verkürztem Wickelschritt WK jeweils mit einem Wendebereich mit einem Standard-Wickelschritt WS abwechseln, und dass mehr, vorzugsweise doppelt so viele, Wendebereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK als mit verlän gertem Wickelschritt WL vorgesehen sind. Zur Ausbildung eines gewünschten Wi ckelschemas, zum Beispiel analog zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit Hairpins, sind vorteilhafterweise immer Wendebereiche mit einem Standard-Wi ckelschritt WS wechselweise mit anderen Wickelschritten vorgesehen, wodurch diese auf einer axialen Seite des Spulenkörpers liegen. Da mehr Hairpins der ersten Variante als der zweiten Variante benötigt werden, sind bei der Verwendung von Wellenleiter entsprechend mehr Wendebereiche mit verkürztem Wickelschritt WK als mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen. Für eine bevorzugte Lochzahl von drei wären entsprechend doppelt so viele Wendebereiche W mit verkürztem Wickel schritt WK wie Wendebereiche W mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen.
Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass der Wendebereich W der Hairpins mit verlängertem Wickelschritt WL axial weiter über ei- nen Spulenkörper vorsteht als der Wendebereich W der Hairpins mit einem verkürz ten Wickelschritt WK. Die Wendebereiche der Hairpins verbinden die Leiterelemente in den Nuten des Spulenkörpers an einem axialen Ende des Spulenkörpers. Die Wendebereiche der Hairpins mit verkürztem Wickelschritt können dabei nebeneinan der angeordnet werden und mit einer gleichen, vorzugsweise geringen, Höhe ausge führt werden. Die Wendebereiche der Hairpins mit einem verlängerten Wickelschritt stehen axial weiter über den Spulenkörper vor und überspannen die Wendebereiche mit einem verkürzten Wickelschritt.
Wellenwicklungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Teilstrang mindestens ein Hairpin mit verlängertem Wickelschritt WL und mindes tens zwei Hairpins mit einem verkürzten Wickelschritt WK vorgesehen sind.
Aus Gründen der vorteilhaften Symmetrie weist jeder Teilstrang im Durchschnitt ei nen Abstand zwischen den Leiterelementen auf, welcher dem Standard-Wickelschritt entspricht. Hierfür sind für jeden Hairpin mit einem verlängerten Wickelschritt eine der Lochzahl minus eins entsprechende Anzahl von Hairpins mit verkürztem Wickel schritt vorgesehen. Die Anzahl der Hairpins erfüllen somit vorzugsweise das Glei chungsverhältnis n = m * (q - 1 ), wobei n die Anzahl der Hairpins einer ersten Vari ante mit verkürztem Wickelschritt, m die Anzahl der Hairpins einer zweiten Variante mit verlängertem Wickelschritt und q die Lochzahl darstellt.
Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Teilstrang zusätzlich zumindest ein Hairpin einer dritten Variante vorgesehen ist, wel cher einen Wendebereich W mit einem Standard-Wickelschritt WS aufweist. Hier durch können konstruktionsabhängig auch längere Teilstränge bereitgestellt werden, bei denen der Durchschnittliche Wickelschritt dem Standard-Wickelschritt entspricht.
Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente pro Teilstrang gleich oft jede der Lochzahl zugehörigen Nuten durch laufen. Hierdurch wird für die Spulenstränge ein hoher Symmetriegrad erreicht, wel cher unter anderem hinsichtlich reduzierten Verlusten vorteilhaft ist. Für den Fall, dass Flairpins einer dritten Variante vorgesehen sind, sind diese mit ei ner der Lochzahl entsprechenden Anzahl, oder einem Vielfachen davon, vorgesehen und vorzugsweise jeweils zwischen den Hairpins der ersten und zweiten Variante an geordnet.
Wellenwicklungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass ein ganzahliges Vielfaches von parallel geschalteten Spulensträngen vorgesehen sind. Spulen weisen vorteilhafterweise mehrere parallele Stränge auf. Pro Phase sind vorzugsweise jeweils gleich viele parallele Stränge vorgesehen, weshalb ein ganz zahliges Vielfaches der Phasenzahl an parallelen Strängen vorgesehen ist.
Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass die An schlusspins der parallelen Spulenstränge jeweils im gleichen Pol angeordnet sind. Durch die Anordnung im gleichen Pol kann der Aufwand für eine Verschaltung der Spulenstränge vereinfacht und kleiner ausgeführt werden. Somit kann Bau raum ein gespart werden.
Wellenwicklungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Anschlusspins eines Spulenstrangs in der gleichen Lage angeordnet sind. Bau raum kann ebenfalls eingespart werden, wenn beide Anschlusspins eines Spu lenstrangs in eine gleichen, vorzugsweise äußeren, Lage angeordnet sind, da hier durch die Verschaltung kleiner ausgeführt beziehungsweise nur von einer Seite an geordnet werden kann oder die Anschlusspins einfach in radialer Richtung umform bar sind.
Alternative Ausführungsformen von Wellenwicklungen sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Anschlusspins eines Spulenstrangs in direkt benachbarten Lagen ei ner Doppellage angeordnet sind. Abgesehen von der Umformbarkeit in radialer Rich tung weisen diese Ausführungsformen die gleichen Vorteile auf, wie die vorgenann ten mit einer Anordnung in einer Lage. Weiter alternative Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekenn zeichnet, dass jeweils einer der beiden Anschlusspins eines Spulenstrangs in der ra dial inneren Lage und in der radial äußeren Lage angeordnet ist. Durch eine derar tige Anordnung ist ebenfalls eine leichte Zugänglichkeit der Anschlusspins gegeben und es ist gegebenenfalls ausreichend, dass die Spulenstränge den Spulenkörper in radialer Richtung nur einmal durchlaufen.
Ausführungsformen von Wellenwicklungen sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil jedes Spulenstrangs, welcher mindestens einen Teilstrang umfasst, in Umfangs- richtung entgegengesetzter Richtung gewickelt ist, dass der Wechsel der Richtung der Wicklung zwischen den Teilsträngen in einer in radialer Richtung äußeren Lage erfolgt, dass die Verbindung zwischen den Teilen des Spulenstrangs mit unterschied licher Richtung der Wicklung durch ein Brückenelement oder einen in radialer Rich tung sowie entgegengesetzter Umfangsrichtung verformten Kontaktbereich K gebil det ist, welche mit den Kontaktbereichen K der Hairpins elektrisch leitend verbunden sind.
Durch die Umkehr der Richtung der Wicklung werden die Verluste weiter reduziert, da eine höhere Symmetrie der Wellenwicklung erreicht wird.
Durch die Verwendung von Brückenelementen kann die einheitliche Verformung der Kontaktbereiche der Hairpins aufrechterhalten werden, was die Herstellung verein facht und gleichzeitig eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den entsprechen den Teilsträngen erreicht werden. Durch das Brückenelement kann einfach eine Ver bindung über einen benötigen Umfangsbereich erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass abhängig vom zur Verfügung stehenden Bauraum für die elektrische Maschine das Brückenelement entweder mit axialer oder besonders bevorzugt mit radialer Ausrichtung angeordnet ist.
Alternativ kann anstatt eines Brückenelements auch einer der entsprechenden Kon taktbereiche radial nach außen und in entgegengesetzter Umfangsrichtung verformt werden, um eine direkte Verbindung zwischen den Kontaktbereichen zu erreichen. Hierdurch wird der Umformprozess der Kontaktbereiche zwar etwas aufwendiger, je doch entfallen die Brückenelemente sowie deren Positionierung.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind ein Stator oder ein Rotor für eine elektri sche Maschine, welcher dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mit einer Wellen wicklung gemäß der vorangegangenen Beschreibung versehen ist sowie eine elektri sche Maschine, bei der eine Wellenwicklung nach der obigen Beschreibung vorgese hen ist.
Die Merkmale der Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert wer den.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Elemente werden mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 a & 1 b zeigen jeweils ein Teil eines Spulenelements in radialer Richtung gesehen.
Fig. 2a & 2b zeigen jeweils ein Teil eines Spulenelements in axialer Richtung gesehen.
Fig. 3 zeigt einen Vergleich verschiedener Wendebereiche nebenei nander.
Fig. 4 stellt eine Spule mit einer Wellenwicklung in einer perspektivi schen Ansicht dar.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für ein Wickelschema für einen Spulenstrang.
Fig. 1 a und Fig. 1 b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Spulenelements (6), wobei lediglich ein Wendebereich W mit angrenzenden Leiterelementen (10) gezeigt ist. Wird das Spulenelement (6) als Hairpin ausgeführt schließen sich an die Lei terelemente (10) nicht dargestellte Kontaktberieche K an, wird das Spulenelement (6) als Wellenleiter ausgeführt, schließen sich an die Leiterelemente (10) entsprechend jeweils ein weiterer Wendebereich W oder ein Anschlusspin (5) an.
Sowohl in Fig. 1 a als auch in Fig. 1 b sind jeweils zwei parallel verlaufenden Leiterele mente (10) gezeigt, welche über einen Wendebereich W verbunden sind. Der Wen debereich W umfasst jeweils einen an die Leiterelemente (10) angrenzenden Über gang (9) sowie einen zwischen den Übergängen (9) angeordneten Verbindungsab schnitt (8). Im Übergang (9) ist jeweils eine Biegestelle (11 ; 11 ‘) vorgesehen. Der Verbindungsabschnitt (8) verläuft in der dargestellten Ebene, die ebenfalls durch die parallel verlaufenden Leiterelemente (10) aufgespannt wird, geradlinig.
Bei dem in Fig. 1 a dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Übergänge (9) je weils zwei Teilbiegestellen (11 ‘) auf, welche zusammen die Biegestelle (11 ) bilden, sowie einen dazwischenliegenden geraden Abschnitt auf.
Bei Fig. 1 b hingegen wird der Übergang (9) durch eine kontinuierlich verlaufende Bie gestelle (11 ) gebildet.
Fig. 2a und Fig. 2b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Spulenelements (6), aus einer axialen Richtung gesehen, womit die dargestellte Ebene senkrecht zu den Leiterelementen (10) verläuft.
Auch Fig. 2a und Fig. 2b zeigen einen prinzipiell gleichen Aufbau, wobei ebenfalls nur der Wendebereich W dargestellt ist. An den Verbindungsabschnitt (8) schließt sich an beiden Enden ein Übergang (9) an. Im Verbindungsabschnitt (8) sind zwei weitere Biegestellen (12) vorgesehen, welche gegenläufig gebogen sind. Durch die weiteren Biegestellen (12) wird ein Versatz im Verbindungsabschnitt (8) erreicht, mit welchem beispielsweise der Wechsel der Leiterelemente (10) zwischen verschiede nen Lagen der Nuten (3) vereinfacht wird. Die weiteren Biegestellen (12) teilen den Verbindungsabschnitt in zwei parallel verlaufende Bereiche. Es sind auch Ausführun gen möglich, bei denen die weiteren Biegestellen (12) nicht direkt aufeinander folgen, sondern durch einen weiteren Bereich des Verbindungsabschnitts (8) voneinander getrennt sind, wodurch ein größerer Versatz erreichbar ist.
Bei Fig. 2a verlaufen die Übergänge (9) sowie der Verbindungsabschnitt (8), abgese hen von den weiteren Biegestellen (12) in der dargestellten Ebene geradlinig.
Im Gegensatz zu Fig. 2a ist den Übergängen (9) sowie dem Verbindungsabschnitt (8) eine gemeinsame Krümmung überlagert, um deren Verlauf an den Durchmesser eines Spulenkörpers (2) anzupassen. Alternativ kann eine derartige Krümmung auch nur an den Übergängen (9) oder dem Verbindungsabschnitt (8) vorgesehen sein.
Die Figuren 1 a, 1 b, 2a und 2b sind jeweils mit einem symmetrischen Aufbau darge stellt. Es sind allerdings auch Ausführungsformen möglich, welche nicht symmetrisch sind und beispielsweise die Übergänge (9) nicht gleichartig ausgebildet sind oder die weiteren Biegestellen (12) nicht mittig am Verbindungsabschnitt (8) vorgesehen sind.
In Fig. 3 sind drei Spulenkörper (2) mit Wellenwicklungen als Vergleichsbeispiele ne beneinander dargestellt. Die Wellenwicklungen weisen hierbei ein gleiches Wickel schema auf. Der Unterschied liegt darin, dass die axial weiter über den Spulenkörper (2) vorstehenden Spulenelemente (6‘) anders ausgeführt sind. Wie deutlich erkenn bar benötigt das rechte Vergleichsbeispiel mit Spulenelementen gemäß einer erfin dungsgemäßen Ausführung weniger Bauraum in axialer Richtung. Somit kann die Spule in axialer Richtung kompakter ausgebildet werden beziehungsweise benötigt weniger Raum.
Fig. 4 zeigt einen Spulenkörper mit einer Wellenwicklung (1 ) gemäß dem linken Ver gleichsbeispiel gemäß Fig. 3, hier als Stator. Wie auch in Fig. 3 gezeigt, ist eine fol gend beschriebene Wellenwicklung ebenfalls mit erfindungsgemäßen Spulenelemen ten (6, 6‘) ausbildbar. Der Stator weist einen Spulenkörper (2) auf, in dem Nuten (3) zur Aufnahme der Wellenwicklung ausgebildet sind. In die Nuten (3) sind Leiterele mente (10) im dargestellten Beispiel im Rahmen von Flairpins (6, 6’) eingebracht, wo bei pro Nut (3) mehrere Leiterelemente (10) in Lagen eingebracht sind. Die Hairpins (6, 6’) des dargestellten Beispiels umfassen jeweils zwei Leiterelemente (10), einen Wendebereich W, in dem die Leiterelemente (10) einstückig miteinander verbunden sind, sowie Kontaktbereiche K an den Enden des Hairpins (6, 6’). Die Hairpins (6, 6’) sind abgesehen von den jeweils ersten und letzten Hairpins (6, 6’) der einzelnen Spulenstränge in ihren Kontaktbereichen K mit zwei Kontaktpins (4) ausge führt, die jeweils mit dem im Spulenstrang benachbarten Hairpin (6, 6’), genauer sei nem entsprechenden Kontaktpin (4) elektrisch leitend verbunden sind. Der jeweils erste und letzte Hairpin (6, 6’) eines Spulenstrangs weist einen Kontaktpin (4) zur Verbindung mit dem benachbarten Hairpin (6, 6’) des Spulenstrangs sowie einen An schlusspin (5) zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Leistungselektronik auf.
Um eine gegenseitige Kontaktierung zu ermöglichen, sind alle Kontaktpins (4) der Wellenwicklung auf der gleichen axialen Seite des Spulenkörpers (2) angeordnet, wodurch entsprechend die Wendebereiche W der Hairpins (6, 6’) auf der entgegen gesetzten axialen Seite des Spulenkörpers (1) angeordnet sind.
Auf der Seite der Wendebereiche W bildet sich ein gleichmäßiges Muster mit parallel verlaufenden Wendebereichen W mit einem verkürzten Wickelschritt WK aus, welche jeweils von einem Wendebereich W mit verlängertem Wickelschritt WL überspannt werden. Es sind jeweils ein der Lochzahl q minus eins entsprechende Anzahl von Hairpins (6) der ersten Variante mit verkürztem Wickelschritt WK und ein Hairpin (6‘) der zweiten Variante mit verlängertem Wickelschritt WL pro Pol benachbart vorgese hen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Lochzahl von drei somit zwei Hairpins (6) der ersten Variante und ein Hairpin (6‘) der zweiten Variante. Durch die Hairpins (6) der ersten Variante findet stets ein Wechsel von der rechten Nut (3) auf eine mittlere Nut (3) beziehungsweise von einer mittleren Nut (3) auf eine linke Nut (3) der benachbarten Lage statt. Mit dem Hairpin (6‘) der zweiten Variante wird stets zwischen einer linken Nut (3) und einer rechten Nut (3) der benachbarten Lage ge wechselt.
Fig. 5 zeigt ein Wickelschema für einen ersten Spulenstrang analog zu einem in Fig.
4 dargestellten Beispiel mit einer Lochzahl von drei, wobei ein Ausführungsbeispiel mit 54 Nuten (3) gezeigt ist. Es ist eine Abwicklung der Nuten (3) mit einer Darstellung der hier acht Lagen, und somit vier Doppellagen, je Nut (3) gezeigt. Es sind allerdings auch eine andere An zahl von Nuten (3) oder Lagen, wie beispielsweise den sechs Lagen in Fig. 4, mög lich.
In den Lagen sind jeweils nur die Leiterelemente der Hairpins (6, 6‘) für parallele Teil stränge eines Pols in den jeweils drei Nuten (3) pro Pol dargestellt und derart num meriert, dass die Nummer jeweils einen Buchstaben für den Teilstrang und eine zweistellige Zahl umfasst. Mit Groß- und Kleinbuchstaben sind jeweils die beiden Lei terelemente des jeweiligen Hairpin (6, 6‘) unterschieden. Bei der zweistelligen Zahl zeigt die erste Zahl jeweils die Doppellage an, in welcher der Hairpin (6, 6‘) angeord net ist, und die zweite Zahl steht für eine fortlaufende Durchnummerierung der Hair pins (6, 6‘) in Stromflussrichtung in dieser Doppellage. Die den Anschlusspins (5) be nachbarten Leiterelemente oder anders ausgedrückt, die entsprechenden ersten und letzten Leiterelemente der Spulenstränge sind mit Pfeilen markiert, wobei die Pfeile zur Differenzierung der unterschiedlichen Stränge mit durchgezogenen Linien, gestri chelten Linien beziehungsweise Punkt-Linien dargestellt sind.
Die Anschlusspins (5) der einzelnen Spulenstränge sind im dargestellten Beispiel je weils in der radial äußeren Lage der Wellenwicklung vorgesehen und die Anschluss pins (5) der parallelen Spulenstränge sind jeweils im gleichen Pol angeordnet. Auf grund der Anordnung in der radial äußeren Lage kann ein Anschluss an die Leis tungselektronik in radialer Richtung erfolgen, wodurch kein oder nur minimaler Bau raum in axialer Richtung benötigt wird. Durch die Anordnung im gleichen Pol sind die Anschlusspins (5) für die Kathode und die Anode jeweils direkt benachbart angeord net. Die Anschlusspins (5) der parallelen Spulenstränge für die Kathode sowie die Anode sind in Umfangsrichtung einen Pol des Spulenstrangs versetzt angeordnet. Durch diese Ausbildung wird für den Anschluss an die Leistungselektronik nur ein ge ringer Bereich des Umfangs benötigt.
Durch die Wendebereiche W erfolgt, über den Umfang verteilt, im dargestellten Bei spiel jeweils ein Wechsel von einer linken Nut (3) zu einer rechten Nut (3), indem ein Hairpin (6‘) der zweiten Variante mit einem verlängerten Wickelschritt WL vorgese hen ist. Im weiteren Teilstrang des jeweiligen Spulenstrangs sind im gezeigten Aus führungsbeispiel zwei Hairpins (6) der ersten Variante mit verkürztem Wickelschritt WK vorgesehen, um von einer rechten in eine mittlere Nut (3) beziehungsweise von einer mittleren in eine linke Nut (3) zu wechseln. Im dargestellten Beispiel sind nur Hairpins (6, 6‘) der ersten und zweiten Variante vorgesehen. Hierdurch wird ein ho her Grad an Symmetrie erreicht, was die Verluste verringert. Abhängig von der An zahl der Pole und dergleichen ist auch eine andere Verteilung der Hairpins (6, 6‘) un terschiedlicher Varianten über den Umfang möglich, wobei auch Hairpins einer drit ten Variante mit einem Standard-Wickelschritt WS mit vorgesehen werden können.
Die Spulenstränge durchlaufen, wie in Fig. 5 dargestellt, mit dem ersten Teilstrang jeweils zunächst die radial äußere Doppellage. Der erste Teilstrang geht durch eine entsprechende Verbindung der Kontaktpins (4) in den zweiten Teilstrang über, wel cher in gleicher Richtung der Wicklung analog zum ersten Teilstrang durch die nächste Doppellage verläuft. Dieser Übergang zwischen den Doppellagen ist in Fig.
5 exemplarisch mit einem Pfeil mit einer Strich-Punkt-Linie angedeutet. In dieser Weise werden zunächst die Nuten (3) der Doppellagen mit einer gleichen Richtung der Wicklung von radial außen nach radial innen durchlaufen.
Am letzten Kontaktpin (4) des, hier vierten, Teilstrangs in der radial inneren Lage wird jeweils durch ein Brückenelement (7) die elektrisch leitende Verbindung mit dem ers ten Kontaktpin (4) des hier fünften Teilstrangs hergestellt.
Bei dieser Verbindung über das Brückenelement findet eine Umkehrung der Rich tung der Wicklung statt. Im dargestellten Beispiel wird durch das Brückenelement (7) ein dem Standard-Wickelschritt WS entsprechender Wickelschritt vorgenommen. Alternativ sind auch Brückenelemente (7) mit unterschiedlichen zum Beispiel dem verlängerten beziehungsweise verkürzten Wickelschritt entsprechenden Wickelschrit ten möglich, um beim Übergang zwischen den Teilsträngen zwischen den Nuten (3) zu wechseln.
Auch ist alternativ zu einem separaten Brückenelement (7) möglich, dass die ent sprechenden letzten oder ersten Kontaktpins (4) in radialer Richtung in eine ge dachte weitere Lage umgeformt werden und diese in eine der ursprünglichen Lage entgegengesetzte Umfangsrichtung umgeformt werden, um mit dem entsprechenden Kontaktpin (4) direkt, in Art der weiteren Kontaktpins (4), beispielsweise mittels schweißen, verbunden zu werden.
Der hier fünfte Teilstrang, welcher in entgegengesetzter Richtung die Nuten in der ra dial inneren Doppellage durchläuft, geht anschließend in den sechsten Teilstrang über, welcher in der benachbarten Doppellage ebenfalls die Nuten (3) durchläuft. Dieser Übergang ist ebenfalls exemplarisch einmal mit einem Pfeil mit einer Strich- Punkt-Linie angedeutet. Die bis zur radial äußeren Lage zurücklaufenden Teilstränge weisen einen analogen Aufbau zu den vorgenannten Teilsträngen auf. Der letzte Hairpin des hier achten Teilstrangs weist an seinem Ende, welches auch das Ende des Spulenstrangs dargestellt, entsprechend den Anschlusspin (5) zum Anschluss an die Leistungselektronik auf.
Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen Anschlusspins (5) an der radial innenliegenden Lage vorgesehen sind oder auch Ausführungsformen bei denen so wohl an der radial äußeren als auch an der radial inneren Lage Anschlusspins (5) vorgesehen sind.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführung eingeschränkt. Es können wie oben ausgeführt, auch nur einzelne vorteilhafte Merkmale vorgesehen werden.
Bezuqszeichen
1 Spulenkörper mit Wicklung
2 Spulenkörper
3 Nut
4 Kontaktpin
5 Anschlusspin
6, 6‘ Spulenelement / Hairpin
7 Brückenelemente
8 Verbindungsabschnitt
9 Übergang
10 Leiterelement
11 Biegestelle
11 ‘ Teilbiegestelle
12 weitere Biegestelle
K Kontaktbereich
W Wendebereich
WL Wendebereich mit verlängertem Wickelschritt
WK Wendebereich mit verkürztem Wickelschritt

Claims

Patentansprüche
1. Spulenelement (6, 6‘) für eine Spule einer elektrischen Maschine umfassend min destens zwei parallel verlaufenden Leiterelemente (10) zu Anordnung in Nuten (3) eines Spulenkörpers (2) und mindestens einem Verbindungsabschnitt (8) der die beiden Leiterelemente (10) miteinander verbindet, wobei die Leiterelemente (10) und der Verbindungsabschnitt (8) einteilig ausgebildet sind, dadurch ge kennzeichnet, dass nur an einem Übergang (9) von einem Leiterelement (10) zu dem Verbindungsabschnitt (8) eine Biegestelle (11 , 11 ‘) in einer von den beiden Leiterelementen (10) aufgespannten Ebene vorgesehen ist, und dass der Verbin dungsabschnitt (8) geradlinig verläuft.
2. Spulenelement (6, 6‘) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Biege stelle (11 , 11 ‘) im Übergang (9) in zwei durch einen geraden Zwischenabschnitt verbundene Teilbiegestellen (11 ‘) aufgeteilt ist.
3. Spulenelement (6, 6‘) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass am Verbindungsabschnitt (8) zwei weitere Biegestellen (12) in einer Ebene, welche senkrecht zu der von den Leiterelementen (10) aufge spannten Ebene verläuft, aufweist, und dass die weiteren Biegestellen (12) in ge genläufige Richtungen gebogen sind.
4. Spulenelement (6, 6‘) nach Anspruch 0 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden weiteren Biegestellen (12) den Verbindungsabschnitt (8) in mehrere Bereiche tei len und zwei der Bereiche parallel verlaufen.
5. Spulenelement (6, 6‘) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (8) oder zumindest ein durch Bie gestellen (11, 11‘, 12) begrenzter Bereich des Verbindungsabschnitts (8) in einer senkrecht zu den Leiterelementen (10) verlaufenden Ebene gebogen verläuft.
6. Spulenelement (6, 6‘) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (8) in einer senkrecht zu den Lei terelementen (10) verlaufenden Ebene liegt.
7. Wellenwicklung für eine elektrische Maschine mit zumindest einem Spulenele ment (6, 6‘) nach eine der Ansprüche 1 bis 0.
8. Wellenwicklung nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei unterschiedliche Spulenelemente (6, 6‘) vorgesehen sind, welche mit ihren Verbindungsabschnitten (8) in axialer Richtung unterschiedlich weit über den Spulenkörper (2) vorstehen, und dass zumindest die weiter über den Spulenkör per (2) vorstehenden Spulenelemente (6‘) zumindest teilweise als Spulenele mente (6‘) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 0 ausgebildet sind.
9. Wellenwicklung nach einem der Ansprüche 0 oder 0, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Phasen und eine Lochzahl q von zumindest drei vorgesehen ist, dass die Wellenwicklung einen Standard-Wickelschritt WS von WS = q*m auf weist, wobei q der Lochzahl und m der Anzahl der Phasen entspricht, dass zu mindest eine der Lochzahl q entsprechende Anzahl an Spulensträngen parallel geschalten vorgesehen sind, wobei die Spulenstränge jeweils zumindest ein Spulenelement (6, 6‘) mit zumindest einem Wendebereich W umfasst, wobei der Wendebereich W den Verbindungsabschnitt (8) und die benachbarten Über gänge (9) beinhaltet, dass zwei unterschiedliche Varianten von Spulenelementen (6, 6‘) vorgesehen sind, dass bei einer ersten Variante der Spulenelemente (6) der Wendebereich W zwischen den Leiterelementen (10) einen verkürzten Wi ckelschritt WK aufweist, dass bei einer zweite Variante der Spulenelemente (6‘) der Wendebereich W einen verlängerten Wickelschritt WL aufweist, und dass zu mindest die zweite Variante durch Spulenelemente (6‘) gemäß einem der An sprüche 1 bis 0 ausgebildet ist.
10. Wellenwicklung nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulenele ment (6, 6‘) mehrere Wendebereiche W aufweist, wobei sowohl Wendebereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK als auch mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen sind.
11. Wellenwicklung nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, dass sich entlang des Spulenelements (6, 6‘) Wendebereiche W mit verlängertem Wickelschritt WL und verkürztem Wickelschritt WK jeweils mit einem Wendebereich mit einem Standard-Wickelschritt WS abwechseln, und dass mehr, vorzugsweise doppelt so viele, Wendebereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK als mit verlänger tem Wickelschritt WL vorgesehen sind.
12. Stator (1) für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Sta tor (1 ) mit einer Wellenwicklung nach einem der Ansprüche 0 bis 0 versehen ist.
13. Rotor für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mit einer Wellenwicklung nach einem der Ansprüche 0 bis 0 versehen ist.
14. Elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wellen wicklung nach einem der Ansprüche 0 bis 0 vorgesehen ist.
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