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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem
Wirkelement, das eine Anzahl von Wicklungen eines Wicklungssystems
aufweist, wobei die Wicklungen um eine Wirkachse der elektrischen
Maschine herum angeordnet sind, jede Wicklung zwei Wicklungsenden
aufweist und die Wicklungsenden der Wicklungen gemäß einem
vorbestimmten Verdrahtungsplan miteinander verbunden sind, wobei
die elektrische Maschine eine Anzahl von Spulenträgern aufweist,
die Spulenträger
ebenfalls um die Wirkachse der elektrischen Maschine herum angeordnet
sind und die Wicklungen des Wicklungssystems auf die Spulenträger aufgewickelt
sind.
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Derartige
elektrische Maschinen sind – insbesondere
in Form von Motoren in Polspultechnik – allgemein bekannt. Dabei
ist es insbesondere üblich, dass
das Wirkelement dem Stator der elektrischen Maschine entspricht.
In diesem Fall weist das Wirkelement in aller Regel eine Anzahl
von konzentrisch um die Wirkachse herum angeordneten Nuten auf, die
in Richtung der Wirkachse verlaufen. In den Nuten sind dann die
Wicklungen angeordnet.
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Bei
derartigen, in Polspultechnik ausgeführten elektrischen Maschinen
müssen
die Wicklungsenden gemäß dem Verdrahtungsplan
miteinander verbunden werden, im Übrigen gegeneinander isoliert
werden. Zu diesem Zweck werden beim üblichen Stand der Technik Isolierschläuche auf
die Wicklungsenden aufgeschoben, miteinander korrespondierende Wicklungsenden
gemäß dem Verdrahtungsplan
miteinander verbunden und die so entstandenen Verbindungsstellen
mit einem Isolierschlauch gegen die anderen Wicklungsenden isoliert.
Diese Art der Herstellung der elektrischen Maschine muss manuell
ausgeführt
werden. Sie ist daher langsam, zeitaufwendig, umständlich und
fehlerträchtig.
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Es
ist weiterhin bekannt, die Wicklungsenden mit Hilfe einer Platine
miteinander zu verbinden, welche stirnseitig auf die Wicklungen
gelegt wird. Diese Platine ist als Ring ausgebildet und beinhaltet Leiterbahnen,
die entsprechend dem vorbestimmten Verdrahtungsplan geführt sind.
Die Kontaktierung der Wicklungsenden mit der Platine erfolgt über Anschlussfelder,
die am Rußen-
und/oder Innenradius der ringförmigen
Platine angeordnet sind.
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Bei
Verwendung einer ringförmigen
Platine ist die Ausnutzung der Leiterplatte sehr schlecht. Die Platine
ist daher sehr teuer. Ferner muss auch bei dieser Art der Herstellung
die Positionierung der Wicklungsenden zumindest teilweise manuell
erfolgen, da die Wicklungsenden nach dem Aufwickeln der Wicklung
auf den Spulenträger
biegeschlaff sind und sich somit in axialer Richtung nicht fixieren
lassen. Weiterhin wird durch die Position der herzustellenden Schaltverbindungen
die Baulänge
des Motors in axialer Richtung vergrößert. Auch treten im Betrieb starke
Belastungen durch Rütteln
oder Schock auf, und zwar sowohl in radialer als auch in axialer
Richtung. Es besteht daher die Gefahr, dass die Lötverbindungen
zwischen den Wicklungsenden und der Platine im Dauerbetrieb spröde werden
und brechen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit
zu schaffen, mittels derer eine einfache, kostengünstige,
zuverlässige,
fehlersichere und auch betriebssichere Verbindung der Wicklungsenden
miteinander möglich
ist.
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Die
Aufgabe wird bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass
an die Spulenträger
Führungskanäle angeformt sind,
die der Aufnahme und Führung
der Wicklungsenden dienen.
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Vorzugsweise
sind dabei bezüglich
jedes Spulenträgers
innerhalb eines von ihm überdeckten, auf
die Wirkachse bezogenen Tangentialbereichs miteinander zu verbindende
der Wicklungs enden im jeweils selben der Führungskanäle und nicht miteinander zu
verbindende der Wicklungsenden in voneinander verschiedenen der
Führungskanäle geführt.
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Es
ist möglich,
dass die Führungskanäle an einer
Stirnseite des Wirkelements angeordnet sind und in einer zur Wirkachse
der elektrischen Maschine senkrechten Ebene verlaufen. Bei dieser
Ausgestaltung ist es von besonderem Vorteil, wenn die Spulenträger je einen
Grundkörper
und einen Zusatzkörper aufweisen,
die Grundkörper
mit den Zusatzkörpern über Filmscharniere
gelenkig verbunden sind, die Wicklungen auf die Grundkörper aufgewickelt
sind und die Führungskanäle auf den
Zusatzkörpern
angeordnet sind. Denn dann ist es insbesondere möglich, die Wicklungen auf die
Grundkörper
aufzuwickeln und erst danach die Zusatzkörper in die obenstehend erwähnte Ebene
umzuklappen.
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Unmittelbar
benachbarte der Zusatzkörper überlappen
vorzugsweise einander. Denn dann sind insbesondere durch Normen
vorgeschriebene Luft- und Kriechstrecken, die zur Gewährleistung
der erforderlichen Spannungsfestigkeit benötigt werden, leichter zu realisieren.
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Wenn
die Zusatzkörper
jeweils einen radial außen
angeordneten Außenbereich,
einen radial innen angeordneten Innenbereich und einen dazwischen
angeordneten Mittelbereich aufweisen, die Mittelbereiche der Zusatzkörper die
Außen-
und die Innenbereiche miteinander verbinden, die Außenbereiche
an die Filmscharniere angrenzen und die Innenbereiche gegenüber den
Außenbereichen
tangential versetzt sind, ist das Ziel der Überlappung der Zusatzkörper konstruktiv
besonders einfach erreichbar.
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Soweit
erforderlich, ist es möglich,
dass auf die Führungskanäle eine
Abdeckung aufgesetzt ist. Beispielsweise kann die Abdeckung auf
die Führungskanäle aufgeschnappt
sein.
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Alternativ
zur Anordnung an einer Stirnseite des Wirkelements ist es auch möglich, dass
die Führungskanäle radial
innen oder radial außen
an die Spulenträger
angeformt sind und in Richtung der Wirkachse der elektrischen Maschine
gesehen übereinander
angeordnet sind. In diesem Fall ist der Axialbereich, in dem die
Führungskanäle angeordnet sind,
prinzipiell beliebig wählbar.
Vorzugsweise aber sind auch in diesem Fall die Führungskanäle an einem Axialende der Spulenträger angeordnet.
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Die
Spulenträger
sind vorzugsweise als Spritzgießteile
ausgebildet. Weiterhin weisen sie vorzugsweise Durchtrittsausnehmungen
zum Eintreten der Wicklungsenden in die Führungskanäle auf.
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Die
Wicklungen und die Spulenträger
werden vorzugsweise nach der Montage im Wirkelement in Harz getränkt und
ausgebacken. Denn dadurch werden auch etwaige nach der Montage der
elektrischen Maschine noch verbleibende Spalte geschlossen.
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Wenn
auf die Führungskanäle Isolierband aufgerollt
ist, arbeitet die elektrische Maschine im Betrieb noch zuverlässiger.
Das Aufrollen des Isolierbandes ist dabei – im Gegensatz zum Stand der Technik – insbesondere
auch automatisiert möglich.
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Wie
bereits erwähnt,
ist das Wirkelement in der Regel als Stator der elektrischen Maschine
ausgebildet. Meist ist es sogar als Außenstator der elektrischen
Maschine ausgebildet. Ausnahmsweise könnte es aber auch als Rotor
der elektrischen Maschine ausgebildet sein.
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Wie
auch im Stand der Technik allgemein üblich, weist das Wirkelement
in der Regel eine Anzahl von in Richtung der Wirkachse verlaufenden
Nuten auf, in denen die Wicklungen angeordnet sind. Die Wicklungen
sind dabei weiterhin in aller Regel konzentrisch um die Wirkachse
herum angeordnet.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung:
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1 eine
erfindungsgemäße elektrische Maschine
in perspektivischer Ansicht ohne Wicklungsenden,
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2 die
elektrische Maschine von 1 in der Draufsicht ohne Wicklungsenden,
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3 die
elektrische Maschine von 1 in perspektivischer Ansicht
mit Wicklungsenden,
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4 die
elektrische Maschine von 1 in der Draufsicht mit Wicklungsenden,
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Spulenträgers für die elektrische Maschine
der 1 bis 4,
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6 eine
weitere erfindungsgemäße elektrische
Maschine in perspektivischer Ansicht,
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7 eine
perspektivische Ansicht eines Spulenträgers für die elektrische Maschine
von 6,
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8 eine
weitere perspektivische Ansicht des Spulenträgers von 7,
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9 beispielhaft
einen ersten Verlauf der an einen der Spulenträger angeformten Führungskanäle bei einem
einzelnen der Spulenträger,
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10 den
Verlauf von 9 über mehrere Spulenträger in abgerollter
Darstellung,
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11 beispielhaft
einen zweiten Verlauf der an einen der Spulenträger angeformten Führungskanäle bei einem
einzelnen der Spulenträger,
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12 den
Verlauf von 11 über mehrere Spulenträger in abgerollter
Darstellung,
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13 beispielhaft
einen dritten Verlauf der an einen der Spulenträger angeformten Führungskanäle bei einem
einzelnen der Spulenträger
und
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14 den
Verlauf von 13 über mehrere Spulenträger in abgerollter
Darstellung.
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Gemäß den 1 bis 4 weist
eine elektrische Maschine ein Wirkelement 1 mit einer Wirkachse 2 auf.
Das Wirkelement 1 könnte
dabei prinzipiell als Rotor bzw. Läufer der elektrischen Maschine ausgebildet
sein. In aller Regel ist das Wirkelement 1 aber als Stator 1 der
elektrischen Maschine ausgebildet. Meist ist der Stator 1 dabei
sogar als Außenstator 1 der
elektrischen Maschine ausgebildet.
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Das
Wirkelement 1 weist gemäß den 1 und 3 eine
Anzahl von Nuten 3 auf, die in Richtung der Wirkachse 2 verlaufen.
Die Nuten 3 sind dabei konzentrisch um die Wirkachse 2 herum
angeordnet.
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Gemäß den 1 und 4 weist
das Wirkelement 1 weiterhin ein Wicklungssystem auf, das seinerseits
wiederum eine Anzahl von Wicklungen 4 aufweist. Die Wicklungen 4 sind
ebenfalls um die Wirkachse 2 der elektrischen Maschine
herum angeordnet. In aller Regel sind die Wicklungen 4 dabei
in den Nuten 3 des Wirkelements 1 angeordnet und
somit ebenfalls konzentrisch um die Wirkachse 2 herum angeordnet.
Jede Wicklung 4 besteht aus einem Wicklungsdraht oder aus
mehreren parallel zueinander geführten
Wicklungsdrähten.
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Gemäß den 1 bis 4 weist
die elektrische Maschine weiterhin eine Anzahl von Spulenträgern 5 auf.
Die Spulenträger 5 sind
vorzugsweise als Spritzgießteile 5 ausgebildet
und ebenfalls um die Wirkachse 2 der elektrischen Maschine
herum angeordnet. Auf sie sind die Wicklungen 4 des Wicklungssystems
aufgewickelt. Vorzugsweise ist dabei für jede Wicklung 4 ein
eigener Spulenträger 5 vorhanden.
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Wie
aus den 3 und 4 für einige
der Wicklungen 4 angedeutet ist und auch aus 5 ersichtlich
ist, weist jede Wicklung 4 zwei Wicklungsenden 6 auf.
Diese Wicklungsenden 6 der Wicklungen 4 sollen
nun gemäß einem
vorbestimmten Verdrahtungsplan miteinander verbunden werden.
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Zu
diesem Zweck sind an die Spulenträger 5 Führungskanäle 7 angeformt,
welche der Aufnahme und Führung
der Wicklungsenden 6 dienen. Bezüglich jedes Spulenträgers 5 sind
vorzugsweise innerhalb eines Tangentialbereichs α, den der jeweilige Spulenträger 5 überdeckt,
miteinander zu verbindende der Wicklungsenden 6 im selben
der Führungskanäle 7 geführt, nicht
miteinander zu verbindende der Wicklungsenden 6 in voneinander
verschiedenen der Führungskanäle 7.
Der Ordnung halber sei dabei erwähnt,
dass die Begriffe „tangential", „radial" und „axial" selbstverständlich auf
die Wirkachse 2 bezogen sind.
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Wie
aus den 1 bis 4 ersichtlich
ist, sind die Führungskanäle 7 an
einer Stirnseite des Wirkelements 1 angeordnet. Sie verlaufen
in einer Ebene, die senkrecht zur Wirkachse 2 der elektrischen
Maschine verläuft.
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Zur
Realisierung dieser Ausgestaltung weisen die Spulenträger 5 – siehe
insbesondere 5 – je einen Grundkörper 8 und
einen Zusatzkörper 9 auf, wobei
die Grundkörper 8 und
die Zusatzkörper 9 über Filmscharniere 10 gelenkig
miteinander verbunden sind. Die Wicklungen 4 sind dabei
auf die Grundkörper 8 aufgewickelt.
Die Führungskanäle 7 sind
auf den Zusatzkörpern 9 angeordnet.
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Auf
Grund dieser Ausgestaltung ist folgendes Herstellungsverfahren für die elektrische
Maschine möglich:
Zunächst
wird der Spulenträger 5 durch Spritzgießen hergestellt.
Sodann wird eine Wicklung 4 des Wicklungssystems auf den
Grundkörper 8 eines
der Spulenträger 5 aufgewickelt.
Der Zusatzkörper 9 dieses
Spulenträgers 5 befindet
sich während des
Wickelns der Wicklung 4 in der in 5 gezeigten
Lage. Nach dem Wickeln der Wicklung 4 wird dann der Zusatzkörper 9,
wie in 5 durch einen Pfeil 11 angedeutet, umgeklappt,
so dass nach dem Umklappen die Führungskanäle 7 in
der zur Wirkachse 2 senkrechten Ebene verlaufen. Das Umklappen kann
dabei alternativ vor oder nach dem Einsetzen des Spulenträgers 5 in
das Wirkelement 1 erfolgen.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, überlappen unmittelbar benachbarte
der Zusatzkörper 9 einander. Dies
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass – siehe
insbesondere die 3 und 4 – die Zusatzkörper 9 jeweils
einen radial außen
angeordneten Außenbereich 12,
einen radial innen angeordneten Innenbereich 13 und einen
dazwischen angeordneten Mittelbereich 14 aufweisen. Die
Mittelbereiche 14 der Zusatzkörper 9 verbinden in
diesem Fall die Außenbereiche 12 und
die Innenbereiche 14 miteinander. Weiterhin grenzen die
Außenbereiche 12 an
die Filmscharniere 10 an. Die Innenbereiche 14 sind
bei dieser Ausgestaltung gegenüber
den Außenbereichen 12 tangential
versetzt.
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Aus
den 1 bis 4 ist auch ersichtlich, dass
die Spulenträger 5 Durchtrittsausnehmungen 15 zum
Eintreten der Wicklungsenden 6 in die Führungskanäle 7 aufweisen. Gemäß den 1 bis 4 sind
dabei – selbstverständlich – für jede Wicklung 4 zwei
Durchtrittsausnehmungen 15 vorhanden. Die Durchtrittsausnehmungen 15 sind
alternierend radial innen und radial außen angeordnet. Bei entsprechender
Ausgestaltung der Führungskanäle 7 bzw.
bei entsprechender Vorbestimmung des Verdrahtungsplans könnten die
Durchtrittsausnehmungen 15 aber auch alle radial außen bzw.
alle radial innen angeordnet sein.
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Nach
dem Einsetzen der Spulenträger 5 einschließlich der
Wicklungen 4 in das Wirkelement 1 werden die Wicklungen 4 und
die Spulenträger 5 in Harz
getränkt
und ausgebacken. Dadurch werden insbesondere etwaige Spalte, die
zwischen den Zusatzkörpern 9 verblieben
sind, verschlossen. Zur Verbesserung der Spannungsfestigkeit der
elektrischen Maschine kann weiterhin auf die Führungskanäle 7 noch Isolierband
aufgerollt werden. Dies ist in den 1 bis 4 der Übersichtlichkeit
halber aber nicht mehr mit dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann auf
die Führungskanäle 7 auch
eine Abdeckung aufgesetzt sein, insbesondere aufgeschnappt sein. Auch
diese Abdeckung ist in den 1 bis 4 der besseren Übersichtlichkeit
halber nicht mehr mit dargestellt.
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Bei
der obenstehend in Verbindung mit den 1 bis 5 beschriebenen
ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine sind die Führungskanäle 7 an
einer Stirnseite des Wirkelements 1 angeordnet. Bei einer
zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
die nachfolgend in Verbindung mit den 6 bis 8 beschrieben
wird, ist dies nicht der Fall. Dabei wird in Verbindung mit der
zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine
nachfolgend nur auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform
eingegangen. Die übrigen Aussagen
zur ersten Ausführungsform
bleiben auch für
die zweite Ausführungsform
gültig.
Weiterhin sind in Verbindung mit den 6 bis 8 auch
die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei den 1 bis 5,
soweit sie korrespondierende Elemente betreffen.
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Gemäß den 6 bis 8 sind
die Führungskanäle 7 radial
an die Spulenträger 5 angeformt.
Sie sind dadurch in Richtung der Wirkachse 2 der elektrischen
Maschine gesehen übereinander angeordnet.
Bei der in 6 dargestellten Ausführungsform
sind die Führungskanäle 7 dabei
radial außen
angeordnet. Diese Ausgestaltung ist in der Regel vorzuziehen. Prinzipiell
wäre aber
auch eine Anordnung der Führungskanäle 7 radial
innen denkbar und möglich.
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Auf
Grund der radialen Anordnung der Führungskanäle 7 ist prinzipiell
eine beliebige axiale Positionierung der Führungskanäle 7 möglich. In
aller Regel aber sind die Führungskanäle 7,
wie aus den 6 bis 8 ersichtlich
ist, an einem Axialende 16 der Spulenträger 5 angeordnet.
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In
den 9 bis 14 sind nun beispielhaft einige
mögliche
Verdrahtungspläne
und die korrespondierenden Ausgestaltungen der Führungskanäle 7 dargestellt.
Die Darstellungen gemäß den 9 bis 14 beziehen
sich dabei auf die obenstehend beschriebene zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine. Die Ausführungen zu
den 9 bis 14 sind aber ohne Weiteres auch
auf die erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine übertragbar.
Die 9, 11 und 13 zeigen
jeweils die Ausgestaltung der Führungskanäle 7 eines
einzelnen Spulenträgers 5,
die 10, 12 und 14 die
korrespondierende Ausgestaltung über
die Führungskanäle 7 mehrerer
Spulenträger 5 nebeneinander
gesehen.
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Die 9 und 10 zeigen
die Ausgestaltung der Führungskanäle 7 für eine sogenannte
Parallelschaltung, bei der jede Wicklung 4 des Wicklungssystems
einerseits direkt mit einer Phase eines – in der Regel dreiphasigen – Drehstromsystems
und andererseits mit dem Sternpunkt des Drehstromsystems verbunden
ist. Gemäß den 9 und 10 sind
vier Führungskanäle 7 vorhanden,
also je ein Führungskanal 7 für jede Phase
und ein Führungskanal 7 für den Sternpunkt
des Drehstromsystems.
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Die
Durchtrittsausnehmungen 15 sind bei dieser Ausgestaltung
beide auf der gleichen Seite angeordnet. Der von den Durchtrittsausnehmungen 15 am
weitesten entfernte Führungskanal 7 ist
dabei vorzugsweise für
den Sternpunkt des Drehstromsystems vorgesehen, die anderen Führungskanäle 7 für je eine
Phase des Drehstromsystems.
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Die
Führungskanäle 7 verlaufen
konzentrisch zur Wirkachse 2. Gemäß den 9 und 10 sind
sie in Richtung der Wirkachse 2 axial gegeneinander versetzt.
Wenn die Ausgestaltung gemäß den 9 und 10 auf
die erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine übertragen
werden soll, müssen
die Führungskanäle 7 dagegen
in einer zur Wirkachse 2 senkrechten Ebene verlaufen. Auch
in diesem Fall sind sie aber konzentrisch angeordnet. Sie weisen
jedoch voneinander verschiedene Radien auf.
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Im
Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß den 9 und 10 zeigen
die 11 und 12 die Ausgestaltung
der Führungskanäle 7 für eine sogenannte
Reihenschaltung, bei der jede Wicklung 4 des Wicklungssystems
vom vollen Strom einer der Phasen des Drehstromsystems durchflossen
wird. Hier sind nur drei Führungskanäle 7 vorhanden,
nämlich einer
für jede
Phase des Drehstromsystems. Die Führungskanäle 7 laufen helixartig
um die Wirkachse 2 um. Die Durchtrittsausnehmungen 15 sind
dementsprechend auf beiden Seiten der Führungskanäle 7 angeordnet. Wenn
die Ausgestaltung gemäß den 11 und 12 auf
die erste Ausführungsform der
erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine übertragen
werden soll, müssen
die Führungskanäle 7 wieder
in der zur Wirkachse 2 senkrechten Ebene verlaufen, dort
jedoch einen spiralförmigen
Verlauf aufweisen.
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Die 13 und 14 zeigen
beispielhaft eine Spezialverdrahtung, nämlich eine sogenannte Q3/8-Schaltung.
Bei der Q3/8-Schaltung
werden – unabhängig von
der Anzahl von Phasen des Drehstromsystems – stets nur drei Führungskanäle 7 benötigt. Die
Durchtrittsausnehmungen 15 sind beide auf der gleichen
Seite der Führungskanäle 7 angeordnet.
Der von den Durchtrittsausnehmungen 15 am weitesten entfernte
Führungskanal 7 ist
vorzugsweise wieder für
den Sternpunkt des Drehstromsystems vorgesehen. Die beiden anderen
Führungskanäle 7 der 13 und 14 werden
für die
Phasen des Drehstromsystems verwendet. Dabei ist jeweils eine Dreiergruppe
von unmittelbar aneinander angrenzenden Wicklungen 4 des
Wicklungssystems so miteinander in Reihe geschaltet, wie dies in 14 dargestellt
ist.
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Zusätzlich zu
den obenstehend beschriebenen Verdrahtungsplänen sind selbstverständlich auch
andere Verdrahtungspläne
möglich
und denkbar. Die drei obenstehend beschriebenen Verdrahtungspläne, insbesondere
die beiden zuerst beschriebenen Verdrahtungspläne, sind aber die in der Praxis
bei Weitem am häufigsten
vorkommenden Verdrahtungspläne.
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Mittels
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine
ergibt sich somit eine erhebliche Vereinfachung gegenüber dem
Stand der Technik.