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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, mit einem Statorkern, der mehrere Statornuten umfasst, die parallel zu einer Statorachse in einer axialen Richtung verlaufend angeordnet sind und einer in den Statornuten angeordneten Stabwicklung, die aus mehreren Leitersegmenten gebildet ist.
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Derartige Stabwicklungen für einen Stator werden auch als Formteilwicklungen bezeichnet und sind aus mehreren vorgefertigten Leitersegmenten gebildet, die zur Bildung der Stabwicklung in die Statornuten eingebracht und dann an ihren Enden miteinander verbunden werden. Verbunden bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung elektrisch kontaktiert. Die Leitersegmente werden dazu typischerweise zu Teilsträngen verbunden, die einen geschlossenen Umlauf um den Stator bilden. Die miteinander verbundenen Enden der Leitersegmente bilden einen so genannten Wickelkopf.
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In den Statornuten eines solchen Stators sind in der Regel jeweils mehrere Leitersegmente angeordnet, die verschiedene Abstände von der Statorachse aufweisen, d.h. in radialer Richtung in radialen Ebenen geschichtet sind.
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Sind Leitersegmente in benachbarten Statornuten mit der gleichen elektrischen Phase kontaktiert, wird also ein Pol des Stators durch mehrere nebeneinander liegende Leitersegmenten gebildet, so kommt es durch den drehenden Rotor der elektrischen Maschine zu in die Leitersegmente induzierten Spannungen mit jeweils verschobener Phase, was zu nachteiligen großen Ringströmen in den Teilsträngen und damit zu Verlusten führt. Um dies zu vermeiden, können die benachbarten Teilstränge beim Verbinden der Leitersegmente im Wickelkopf in ihrer Reihenfolge getauscht werden, der Fachmann spricht von transponieren. Über einen Umlauf der Teilstränge hinweg können so durch die Lage der Teilstränge hervorgerufene Unterschiede ausgeglichen werden.
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Problematisch dabei ist jedoch, dass zum Transponieren der Teilstränge ein größerer Platzbedarf für den Wickelkopf entsteht, was gerade in bauraumkritischen Bereichen zu Problemen führen kann.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, einen Stator für eine elektrische Maschine mit reduzierten Verlusten und geringem Platzbedarf anzugeben.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, mit einem Statorkern, der mehrere Statornuten umfasst, die parallel zu einer Statorachse in einer axialen Richtung verlaufend angeordnet sind, und einer in den Statornuten angeordneten Stabwicklung, die aus mehreren Leitersegmenten gebildet ist,
wobei die Leitersegmente in den Statornuten angeordnet sind, wobei ein erstes Leitersegment in einer ersten Statornut, ein zweites Leitersegment in einer zweiten Statornut, ein drittes Leitersegment in einer dritten Statornut und ein viertes Leitersegment in einer vierten Statornut angeordnet ist,
wobei in einer Umfangsrichtung des Stators die erste Statornut vor der zweiten Statornut, die zweite Statornut vor der dritten Statornut und die dritte Statornut vor der vierten Statornut angeordnet sind, wobei das zweite Leitersegment an einer ersten Stirnseite des Stators mit einer ersten Spange mit dem dritten Leitersegment verbunden ist, wobei das erste Leitersegment an der ersten Stirnseite des Stators mit einer Transponierspange mit dem vierten Leitersegment verbunden ist,
wobei die Transponierstange einen an dem ersten Leitersegment angeordneten ersten Teil, einen dem vierten Leitersegment angeordneten dritten Teil und einen zwischen dem ersten Teil und dem dritten Teil angeordneten zweiten Teil aufweist,
dadurch gekennzeichnet, der zweite Teil eine Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei die Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen orthogonal zur axialen Richtung angeordnet ist.
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Die Verschaltung ermöglicht es, einen ersten Teilstrang, der das erste und das vierte Leitersegment aufweist, und einen zweiten Teilstrang, der das zweite Leitersegment und das dritte Leitersegment aufweist, zu transponieren. Somit ist in einer durch die erste Statornut und die zweite Statornut gebildeten ersten Statornutengruppe der erste Teilstrang vor dem zweiten Teilstrand angeordnet und in einer durch die dritte Statornut und die vierte Statornut gebildeten zweiten Statornutengruppe der zweite Teilstrang vor dem ersten Teilstrand angeordnet. Dies wird dadurch erreicht, dass die erste Spange und die Transponierspange in Umfangsrichtung unterschiedliche Längen aufweisen. Denkbar ist, dass die Transponierspange gegenüber der ersten Spange um einen Längenunterschied, einen sogenannten Pitch, verlängert ist.
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Dadurch, dass die Transponierspange die Haupterstreckungsrichtung orthogonal zur axialen Richtung aufweist, ist diese abgeflacht und benötigt nur sehr wenig Bauraum.
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Denkbar ist, dass die Leitersegmente durch verschweißen an einer zweiten Stirnseite des Stators verbunden sind, wobei die erste Seite nicht die zweite Seite ist.
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Denkbar ist weiterhin, dass die erste Statornutengruppe und die zweite Statornutengruppe durch jeweils drei oder mehr Statornuten gebildet werden. Denkbar ist, dass dabei das Transponieren der Teilstränge durch Vertauschung der Reihenfolge der Teilstränge in Umfangsrichtung um eine Nut oder um mehr als eine Nut realisiert ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Teil bogenförmig ist, wobei ein am ersten Teil angeordneter erster Bereich des zweiten Teils und ein am dritten Teil angeordneter dritter Bereich des zweiten Teils einen größeren Bogenradius aufweisen als ein zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich angeordneter zweiter Bereich des zweiten Teils. Denkbar ist, dass der Bogenradius kontinuierlich variiert ist, so dass sich in einem Scheitelpunkt der Transponierspange, also im in axialer Richtung am weitesten von den Leitersegmenten entfernten Bereich, die Transponierspange nur wenig gebogen ist. Durch die Variation des Bogenradius kann so in vorteilhafter Weise die Höhe des Wickelkopfes eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Teil mit einer Biegung am ersten Teil angeordnet ist und mit einer weiteren Biegung am dritten Teil angeordnet ist, wobei ein mittlerer Bereich zwischen der Biegung und der weiteren Biegung im Wesentlichen gerade und orthogonal zur axialen Richtung angeordnet ist. Die Transponierspange weist also zwischen der Biegung und der weiteren Biegung einen im Wesentlichen flachen Bereich orthogonal zur axialen Richtung auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Transponierspange in axialer Richtung die erste Spange nicht überragt. Damit ist es möglich, Teilstränge zu transponieren ohne dabei den benötigten Bauraum für den Wickelkopf zu vergrößern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das dritte Leitersegment und das vierte Leitersegment in einer ersten radialen Ebene der Statornuten angeordnet sind, wobei das erste Leitersegment und das zweite Leitersegment in einer zweiten radialen Ebene der Statornuten angeordnet sind, wobei ein weiteres erstes Leitersegment in einer dritten radialen Ebene der Statornuten in der ersten Statornut angeordnet ist, wobei ein weiteres zweites Leitersegment in der dritten radialen Ebene in der zweiten Statornut angeordnet ist, wobei ein weiteres drittes Leitersegment in der zweiten radialen Ebene in der dritten Statornut angeordnet ist und ein weiteres viertes Leitersegment in der zweiten radialen Ebene in der vierten Statornut angeordnet ist, wobei das weitere erste Leitersegment an der ersten Stirnseite des Stators mit einer weiteren ersten Spange mit dem weiteren dritten Leitersegment verbunden ist, wobei das weitere zweite Leitersegment an der ersten Stirnseite des Stators mit einer zweiten Spange mit dem weiteren vierten Leitersegment verbunden ist. Dies ermöglicht, erste Teilstränge beim Übergang von der ersten Statornutengruppe in die zweite Statornutengruppe zu transponieren und zweite Teilstränge beim Übergang von der ersten Statornutengruppe in die zweite Statornutengruppe nicht zu transponieren, wobei die ersten Teilstränge in der ersten Statornutengruppe auf einer anderen radialen Ebene verlaufen als die zweiten Teilstränge. Als unterschiedliche radiale Ebenen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Hohlzylinder um die Statorachse zu verstehen, welche unterschiedliche Radien aufweisen. Auf unterschiedlichen radialen Ebenen verlaufende Leitersegmente haben also unterschiedliche Abstände zur Statorachse. Denkbar ist, dass die erste radiale Ebene näher an der Statorachse angeordnet ist als die zweite radiale Ebene und dass die zweite radiale Ebene näher an der Statorachse angeordnet ist als die dritte radiale Ebene. Denkbar ist aber auch, dass die dritte radiale Ebene näher an der Statorachse angeordnet ist als die zweite radiale Ebene und dass die zweite radiale Ebene näher an der Statorachse angeordnet ist als die erste radiale Ebene.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem vorstehend beschriebenen Stator.
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Bei der elektrischen Maschine, die bevorzugt als Elektromotor ausgebildet ist, können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator beschrieben worden sind.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch ein Leitersegment einer Stabwicklung in einer Seitenansicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 illustriert schematisch einen Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch einen Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 (a) und (b) illustrieren schematisch jeweils einen Bereich des ersten Wickelkopfes eines Stators gemäß dem Stand der Technik beziehungsweise gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 (a) und (b) illustrieren schematisch einen Bereich des ersten Wickelkopfes eines Stators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Leitersegments 1 gezeigt, dass zur Bildung einer Stabwicklung 10 (siehe 2 und 3) verwendet werden kann. Das Leitersegment 1 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und ist U-förmig ausgebildet. Aufgrund ihrer Form werden derartige Leitersegmente 1 auch als Hairpins (engl. für Haarnadeln) bezeichnet. Das Leitersegment 1 ist bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium oder einer Kupfer-Aluminium-Legierung ausgebildet, wodurch gute elektrische Eigenschaften ermöglicht werden.
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U-förmige Leitersegmente 1, wie das in 1 gezeigte, lassen sich bei der Herstellung eines Stators 9 (siehe 2 und 3) einer elektrischen Maschine von einer ersten Stirnseite 15 (siehe 2 und 3) des Statorkerns 3 (siehe 2 und 3) in die Statornuten 4 (siehe 3) einschieben. Nach dem Einbringen des Leitersegments 1 in die Statornuten 4 können die an der ersten Stirnseite 15 des Statorkerns 3 herausstehenden offenen Enden der Leitersegmente 1, umgebogen werden, um diesem mit einem weiteren Leitersegment 1 zu verbinden. Durch das Verbinden einer Vielzahl derartiger Leitersegmente 1 wird eine Stabwicklung 10 des Stators 9 gebildet.
Gemäß einer Abwandlung des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels kann das Leitersegment 1 V-förmig ausgebildet sein. Weiter alternativ ist es möglich, dass eine Vielzahl gerader Leitersegmente 1 verwendet wird oder eine Kombination gerader Leitersegmente 1 mit U-förmigen und/oder V-förmigen Leitersegmenten 2.
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Eine perspektivische Darstellung des Stators 9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt. Der Stator 9 ist für eine Innenläufermaschine geeignet und umfasst einen hohlzylindrischen Statorkern 3 mit einer Statorachse S, der Umfangsrichtung U und einer Vielzahl an in einer parallel zur Statorachse S angeordneten, axialen Richtung A verlaufenden Statornuten 4. Insofern ist die axiale Richtung A die Nutlängsrichtung und die Richtung der Nuttiefe wird als radiale Richtung bezeichnet. Der Statorkern 3 ist bevorzugt als Blechpaket ausgebildet. In den Statornuten 4 ist eine Wicklung vorgesehen, die als Stabwicklung 10 aus vorgefertigten Leitersegmenten 1 (siehe 1) ausgebildet ist. Die Leitersegmente 1 sind mit ihren freien Enden jeweils derart in die Statornuten 4 eingebracht, dass ein die freien Enden verbindender geschlossener Verbindungsbereich an der ersten Stirnseite 15 des Statorkerns 3 angeordnet ist. Dieser geschlossene Verbindungsbereich steht auf der ersten Stirnseite 15 aus den Statornuten 4 hervor und bildet einen ersten Wickelkopf 5. Auf einer der ersten Stirnseite 15 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 16 stehen die freien Enden aus den Statornuten 4 hervor und bilden einen zweiten Wickelkopf 6.
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3 zeigt den in 2 gezeigten Stator 9 in Seitenansicht. Neben den ebenfalls in 2 gezeigten Details sind hier Transponierspangen 50, eine erste Spange 51 und eine dritte Spange 510 zu erkennen. Mittels der Transponierspange 50, der ersten Spange 51 und der dritten Spange 510 werden Teilstränge beim Übergang zwischen Statornuten 4 transponiert (siehe 4 und 5).
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In 4 (a) und (b) sind ein schematisch jeweils einen Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß dem Stand der Technik beziehungsweise gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Der besseren Übersicht halber sind nur zu einer Phase zugehörige Spangen gezeigt. 4 (a) zeigt den Stand der Technik. Dargestellt sind eine Transponierspange 50, eine erste Spange 51 und eine dritte Spange 510. Durch die Anordnung der Transponierspange 50, der ersten Spange 51 und der dritten Spange 510 werden im dargestellten Beispiel drei Teilstränge (nicht gezeigt) transponiert. Die Transponierspange 50 ragt weit über die erste Spange 51 und die dritte Spange 510 hinaus, was zu einem unerwünscht großen Wickelkopf (siehe 3) führt.
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4 (b) zeigt einen Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Transponierspange 50 weist einen ersten Teil 50', einen zweiten Teil 50" und einen dritten Teil 50"' auf. Zwischen dem ersten Teil 50' und dem zweiten Teil 50" sowie zwischen dem zweiten Teil 50" und dem dritten Teil 50'" sind jeweils eine Biegung angeordnet. Der zweite Teil 50" ist im Wesentlichen gerade und weist eine Haupterstreckungsrichtung H auf, welche orthogonal zur axialen Richtung A (siehe 3) angeordnet ist. Zusammen mit der ersten Spange 51 und der dritten Spange 510 werden im hier gezeigten Beispiel drei Teilstränge transponiert. Die Transponierspange 50 ist ragt deutlich weniger über die erste Spange 51 und die dritte Spange 510 hinaus als im in 4 (a) dargestellten Stand der Technik.
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In 5 (a) und (b) ist schematisch ein Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Der besseren Übersicht halber sind nur zu einer Phase zugehörige Spangen gezeigt. 5 (a) zeigt den Bereich des ersten Wickelkopfes 5 in axialer Richtung A. Zu erkennen sind die Transponierspange 50, welche mit Leitersegmenten 1 (nicht gezeigt) in der ersten Statornut 41 und in der vierten Statornut 44 verbunden ist. Zusammen mit der ersten Spange 51, welche mit Leitersegmenten 1 in der zweiten Statornut 42 und der dritten Statornut 43 verbunden ist sowie mit der dritten Spange 510 werden im gezeigten Beispiel drei erste Teilstränge transponiert. Dabei sind die drei ersten Teilstränge in einer ersten radialen Ebene R1 und einer zweiten radialen Ebene R2 angeordnet. Weiterhin sind eine weitere erste Spange 51', eine zweite Spange 52 und eine vierte Spange 520 gezeigt. Die weitere erste Spange 51', die zweite Spange 52 und die vierte Spange 520 verbinden Leitersegmente 1 in der zweiten radialen Ebene R2 und einer dritten radialen Ebene R3 ohne die Teilstränge dieser Leitersegmente 1 zu transponieren. 5 (b) zeigt den Bereich des ersten Wickelkopfes 5 einer leicht geneigten Ansicht. Zu erkennen sind die Transponierspange 50, welche mit einem ersten Leitersegmenten 11 in der ersten Statornut 41 und mit dem vierten Leitersegment 14 in der vierten Statornut 44 verbunden ist, die ersten Spange 51, welche mit dem zweiten Leitersegmenten 12 in der zweiten Statornut 42 und dem dritten Leitersegment 13 in der dritten Statornut 43 verbunden ist sowie die dritten Spange 510. Weiterhin sind die weitere erste Spange 51', die zweite Spange 52 und die vierte Spange 520 gezeigt.