DE102022113127A1 - Wicklung, elektrische Maschine und Herstellungsverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wicklung für eine elektrische Maschine, die Wicklung umfassend wenigstens einen ersten Leiter, der in Form mehrerer Stege und mehrerer Wickelköpfe angeordnet ist, wobei die Stege und Wickelköpfe entlang des ersten oder jeweiligen Leiters abwechselnd aufeinanderfolgen und ein jeweiliger Wickelkopf eine Verbindung zwischen zwei Stegen bildet, wobei ein erster Wickelkopf einen ersten und einen zweiten Steg des ersten Leiters verbindet, wobei ein zweiter Wickelkopf des ersten oder eines zweiten Leiters einen dritten und einen vierten Steg des ersten oder des zweiten Leiters verbindet, wobei sich der erste und der zweite Wickelkopf kreuzen und der dritte Steg zwischen dem ersten und dem zweiten Steg angeordnet ist, wobei eine erste Achse parallel zu wenigstens dem ersten Steg ist, wobei eine zweite Achse parallel zu einer Richtung einer Relativbewegung eines Läufers der elektrischen Maschine zu einem Ständer der elektrischen Maschine ist, wobei eine dritte Achse senkrecht zur ersten und zur zweiten Achse ist, wobei der Leiter im Bereich des ersten Wickelkopfes einen Abschnitt aufweist, in dem der Leiter zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse verläuft, wobei der erste Steg in einer ersten Richtung entlang der dritten Achse ein Ende aufweist, wobei der Abschnitt in der ersten Richtung entlang der dritten Achse ein Ende aufweist, wobei das Ende des Abschnitts gegenüber dem Ende des ersten Steges entgegen der ersten Richtung versetzt angeordnet ist, und wobei der Abschnitt in Bezug auf die zweite Achse den dritten Steg überspannt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Wicklung für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einer Wicklung und die Herstellung einer Wicklung bzw. einer elektrischen Maschine.
• Insbesondere ist ein Gegenstand der Erfindung eine mehrphasige Wellenwicklung hoher Packungsdichte für elektrische Maschinen, insbesondere für elektrische Maschinen mit hohem spezifischem Drehmoment und hohem Wirkungsgrad. Eine Mehrphasen-Wellenwicklung hoher Packungsdichte ermöglicht elektrische Maschinen, die neben einer geringen Masse und einem geringen Volumen auch eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Energieeffizienz aufweisen, insbesondere für Anwendungen in einem weiten Drehzahlbereich.
• Bevorzugte Anwendungsgebiete der Erfindung liegen im Bereich der Antriebe für die E-Mobilität, z.B. Elektroautos, Elektroflugzeuge, Elektrodrohnen, Elektromotorräder, Elektrofahrräder, Elektroboote und andere Fahrzeugen. Weitere bevorzugte Anwendungsgebiete umfassen den Antrieb von elektrischen Maschinen, z.B. in Elektrowerkzeugen, Werkzeugmaschinen, Spielzeugen, Industrieantrieben. Es existiert noch eine Vielzahl anderer Anwendungsgebiete.
• Bei einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Elektromotor, insbesondere für eines der oben genannten Anwendungsgebiete, ist es vorteilhaft, wenn ein möglichst hohes Drehmoment und ein möglichst hoher Wirkungsgrad bezogen auf die eingesetzten, möglichst geringen aktiven Massen und Herstellungskosten gegeben ist. Für eine Wicklung der Maschine, insbesondere eine Wellenwicklung, ist es wünschenswert, wenn diese eine kompakte Bauform, einen guten Füllfaktor und eine weitgehend automatisierbare Herstellung ermöglicht.
• Das Dokument EP 2 124 317 A1 beschreibt den grundsätzlichen Aufbau einer elektrischen Maschine, insbesondere deren Stator mit Dreiphasenwicklung, die jeweils in Nuten eingelegt sind, die in Umfangsrichtung des Stators angeordnet sind. Jede Phase ist in einem von drei Paaren benachbarter Nuten angeordnet.
• Die Abschnitte der Wicklung, die sich außerhalb der Nuten des Statorkerns erstrecken, verbinden die Abschnitte in den Nuten.
• Das Dokument EP 1 179 880 A2 bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einer dreiphasigen Wicklung. Insbesondere beschreibt das Dokument Motoren für einen hohen Drehzahlbereich von etwa 2000 bis 5000 U/min.
• Das Dokument US 2006/0226727 A1 beschreibt einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem allgemein zylindrischen Ständerkern mit einer Vielzahl von Zähnen, die eine Vielzahl von Nuten definieren. Der Stator ist für eine Mehrphasenwicklung ausgelegt. Ein überstehender Abschnitt der Wicklung, der zwei in die Nuten einzuführende Teile verbindet, hat eine dreieckige zweidimensionale Form.
• Das Dokument EP 1 381 140 A2 bezieht sich auf eine mehrphasige Wicklung für eine rotierende elektrische Maschine. Eine Mehrzahl von Segmenten der Wicklung sind über Wickelköpfe verbunden. Es gibt zwei Typen von Wickelköpfen mit kleinen und mit großen Abmessungen.
• Die DE10 321 956 A1 beschreibt eine elektrische Maschine, welche einen Statorkern enthält, der in Umfangsrichtung angeordnete Nuten aufweist, die zwischen ungeraden und geraden Nuten abwechseln. Jede Nut hat radiale Stiftpositionen, die in benachbarten Paaren angeordnet sind, um radiale Schichten zu definieren. Eine Hair-Pin-Wicklung umfasst einen ersten Pfad aus miteinander verbundenen Hair-Pins, der in dem Ständerkern so angeordnet ist, dass für jede der radialen Schichten der erste Pfad in den ungeraden und den geraden Nuten gleich oft angeordnet ist.
• Wichtig für ein hohes Drehmoment und geringe Energieverluste der elektrischen Maschine sind neben anderen Parametern ein hoher Wert des Verhältnisses Q=LACT/LPAS zwischen der Länge LACT des aktiven Teils und der Länge LPAS des passiven Teils der Wicklung sowie eine ausreichend große Anzahl von magnetischen Perioden oder Polpaaren, bzw. magnetischen Polen NM.
• Mehrere Möglichkeiten zur Erfüllung dieser Forderung für eine Implementierung der Wicklung in elektrischen Maschinen sind bekannt. Die erste Möglichkeit, die in den Dokumenten WO 03/094328 A1 (PCT/ US03/09207 ) und WO 2005/117243 A1 (PCT/ SI05/000015 ) beschrieben wird, ist eine konzentrierte Wicklung mit einer großen Anzahl einzelner Spulen.
• Eine weitere Möglichkeit ist eine verteilte Wicklung bei der alle Spulen oder zumindest alle Spulen der gleichen Phase als ein durchgehendes Stück gefertigt sind, das in die Nuten des ferromagnetischen Kerns eingesetzt wird.
• Die erste Art der verteilten Wicklung ist eine Schleifenwicklung, wie zum Beispiel im Dokument WO 2005/050816 A2 ( PCT/CA2004/001978 ). Jeder Stromleiter umläuft mehrfach einen einzelnen Magnetpol, bevor er zum nächsten Pol fortschreitet.
• Bei der zweiten, der gebräuchlichsten Art der verteilten Wicklung, der so genannten Wellenwicklung, ist der Leiter insbesondere als Mäander geformt und windet sich insbesondere zwischen den Magnetpolen, so dass derselbe Leiter frühestens in der nächsten Lage der Wicklung in dieselbe Nut zurückkehrt.
• Lösungen für eine Wellenwicklung mit einer geringen Anzahl von elektrischen Leitern in jeder Nut existieren. Im Fall des Dokuments WO/2006/110498 A1 (PCT/ US2006/012914 ) können diese Leiter aus Kupferblechen herausgeschnitten werden und können daher eine beliebige Form haben. Dieses Dokument nennt mögliche Formen, sowohl für die Schleifenwicklung als auch für die Wellenwicklung sowie für die Kombination beider Arten von Wicklung. Das genannte Dokument nennt insbesondere einige Verfahren für die Herstellung solcher Wicklungen aus kontinuierlichen Kupferschnitten.
• Das Dokument EP 2 695 284 B1 stellt eine kompakte Mehrphasen-Wellenwicklung für eine elektrische Maschine mit hohem spezifischem Drehmoment vor, die in radialer Richtung gestapelte Wicklungslagen umfasst, wobei die Wickelköpfe an ihrem Beginn, in der Mitte und am Ende in radialer Richtung gekrümmt sind, so dass zwei benachbarte, zueinander parallele, gerade Abschnitte eines Leiters auf ungefähr der gleichen radialen Position liegen. Die Wickelköpfe einer Lage liegen in tangentialer Richtung alternierend auf beiden Statorseiten. Weiterhin wird der Vorschlag gemacht, durch plastische Deformation der Wickelköpfe Kavitäten zu schaffen, welche ein einfaches Kreuzen der Wickelköpfe verschiedener Phasen ermöglichen sollen.
• Das Dokument US 2022/0021264 A1 stellt einen Stator vor, dessen Nuten gerade Leiterstücke enthalten und dessen Wickelköpfe durch Endkappen an beiden Seiten des Stators realisiert werden, um so den Fertigungsaufwand für Stator und Wicklung zu reduzieren.
• Das Dokument DE 102011 111 352 B4 offenbart einen Elektromotor mit eisenloser Luftspaltwicklung bestehend aus mehreren tangential angeordneten Leitern in einer Phase, die direkt auf dem ferromagnetischen Statorkern fixiert werden, wobei eine Überlappung der Wickelköpfe derart auftritt, dass bei einem 3-phasigen Motor drei Wickelköpfe übereinander liegen.
• Das Dokument DE 10 2016 100 744 B3 offenbart eine elektrische Maschine, die eine Nut- und eine Luftspaltwicklung derart kombiniert, dass die Wicklungsstege der Luftspaltwicklung radial über den Wicklungsstegen der Nutwicklung angeordnet sind, so dass das Magnetfeld der Permanentmagneten von beiden Wicklungen gleichzeitig genutzt wird.
• Das Dokument DE 199 09 026 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Spulen in Form einer Wellenwicklung für elektrische Maschinen. Dabei wird zunächst auf einer Wickelschablone eine im Wesentlichen runde oder polygonale Spule erzeugt. Sie wird mittels Abstreifern von der Wickelschablone abgestreift, danach durch radiale Verformung mittels eines Formwerkzeugs zu einer Wellenwicklung geformt und dann auf ein Übertragungs- oder Einziehwerkzeug übertragen.
• Bei den in den Dokumenten EP 3 182 568 A1 und WO 2017/089455 A1 beschriebenen Verfahren wird eine Vielzahl von Wickeldrähten dem rotierenden Formkern einer Wickeleinrichtung zugeführt. Mittels Greifern wird der auf dem Formkern befindliche Draht gegriffen und zur Herstellung der Wickelköpfe der Wellenwicklung in einer Transportrichtung bewegt, wobei der Formkern gedreht wird. Dabei wird auf dem Formkern eine Wellenwicklung erzeugt, welche dann in eine Transportvorrichtung überführt wird. Die Transportvorrichtung dreht sich synchron mit dem Formkern mit, so dass die entstehende Wellenwicklung kontinuierlich erzeugt werden kann.
• Die beschriebenen Lösungen haben Defizite in Bezug auf ein hohes spezifisches Drehmoment und eine hohe Energieeffizienz und daraus abgeleitet auch bezüglich der spezifischen Leistung und anderer wichtiger Eigenschaften einer elektrischen Maschine. Außerdem weisen die bestehenden Maschinen teilweise eine hohe aktive Masse und ein hohes Volumen auf und sind teilweise kostenaufwändig in der Herstellung.
• Die Herstellung und Montage einer großen Anzahl einzelner Spulen einer konzentrierten Wicklung ist ein zeitaufwändiger Prozess. Wicklungen mit diskreten Spulen haben ungünstige mechanische und geometrische Eigenschaften und erfordern die Verbindung einer hohen Anzahl elektrischer Kontakte beim Aufbau einer Phase. Auch aus geometrischer Sicht hat diese Konstruktion Nachteile, da die erreichbaren Füllfaktoren begrenzt sind, was wiederum den Wirkungsgrad begrenzt.
• Ein Problem der verteilten Wicklung ist der Platzmangel für die vielfach auftretenden Kreuzungen der Wickelköpfe benachbarter Spulen für eine größere Anzahl von Windungen um einzelne Statorzähne oder eine Gruppe von Zähnen. Ein zusätzliches Problem stellt das schnelle und zerstörungsfreie Einführen der komplex angeordneten Leiter in die Nuten dar.
• Bei einer Reihe elektrischer Maschinen gibt es auch Probleme mit Überkreuzungen der sequenziellen Wickelköpfe, die zu benachbarten Phasen der Wicklung gehören und sich sehr eng überkreuzen.
• Die Verwendung einer größeren Anzahl von dünnen Leitern in jeder Nut, die in die entsprechende Form verformt werden müssen, ist nicht optimal, da der verfügbare Raum in der Nut nicht vollständig mit leitfähigem Material ausgefüllt ist.
• Auch bei den bestehenden Lösungen der Wellenwicklung mit einer geringeren Anzahl von Leitern gibt es ein Problem bei sich kreuzenden benachbarten Wickelköpfen an beiden axialen Seiten der Wicklung, also außerhalb des ferromagnetischen Kerns. In diesen beiden Grenzzonen sind die elektrischen Leiter nicht gerade und parallel, sondern gekrümmt. Hier entsteht das Problem, dass in den mehrphasigen Maschinen, wo sich die Leiter mehrerer Phasen kreuzen, wenig Platz für alle Wickelköpfe vorhanden ist, insbesondere in Fällen, bei denen die Anzahl der Wicklungslagen zwei oder mehr beträgt.
• Bei Wellenwicklung mit einer kleinen Anzahl elektrischer Leiter sind die einzelnen Drähte dicker und deshalb im Bereich der Wickelköpfe nicht so gut verformbar. Beim Einsetzen der Spule in den ferromagnetischen Kern verformen sich die Wickelköpfe nur mit erheblichem Druck in die richtige Form, wodurch Schäden an der Isolation der Wicklung entstehen können.
• Bei den bekannten kompakten Wellenwicklungen hat der Wickelkopf einen nachteiligen axialen Überstand, wodurch die Wickelkopflänge und damit der elektrische Widerstand erhöht werden. Vorschläge zur Verringerung des Bauraums über ein radiales Ausweichen der Leiter im Wickelkopfbereich lassen sich nur mit sehr kleinen Biegeradien realisieren und sind deshalb fertigungstechnisch und aus Gründen der Betriebssicherheit problematisch. Eine Krümmung in radialer Richtung mit relativ kleinem Krümmungsradius stellt eine hohe Materialbeanspruchung während der Fertigung dar. Am Nutaus- bzw. Nuteingang führt ein großer Biegeradius zu großem Kopfüberstand und damit zu einem unerwünscht langen Wickelkopf. In der Kopfmitte ist ein kleiner Biegeradius erforderlich, um die radiale Ausdehnung des Wickelkopfes zu begrenzen. In axialer Richtung werden die Wickelköpfe gestapelt, wodurch sich längere Wickelkopfpakete, ein ungünstiger Wirkungsgrad und ein vergrößerter axialer Bauraum ergeben.
• Jegliche Form der Querschnittsreduktion bei der Schaffung von Kavitäten zur Vereinfachung der Realisierung von Kreuzungspunkten der Wickelköpfe führt zu einem höheren Phasenwiderstand und ist deshalb nicht optimal.
• Alle Deformationen oder Bearbeitungen, die mit einer Querschnittsverengung der Leiter verbunden sind, erhöhen den elektrischen Phasenwiderstand und sollten aus diesem Grund vermieden werden.
• Hochkantformate (Aspektverhältnis größer 1:1) der Drahtprofile, welche zur Erhöhung des Füllfaktors oder zur Vereinfachung der Fertigung verwendet werden können, erschweren oder verhindern ein radiales Biegen der Wickelköpfe.
• Gleichzeitiges Führen eines Drahtes in mehreren Lagen, wie es bei einigen Maschinen erforderlich ist, erschwert die Wickeltechnik und das Einlegen.
• Großvolumige Endstücke an den Statorseiten, um den Aufwand der Wickelkopfbildung zu vermeiden, benötigen viel Bauraum und erfordern eine sehr hohe Zahl von Kontaktstellen zwischen den Wicklungsstegen und den Endstücken.
• Die Stifte von bekannten Hair-Pin Wicklungen bilden aus umform- und schweißtechnischen Gründen sehr lange Wickelköpfe. Dies vergrößert den axialen Bauraum und erhöht den Phasenwiderstand der Maschine. Es sind sehr viele Schweißstellen erforderlich, deren Herstellung einen aufwändigen und komplexen qualitätsgesicherten Fertigungsprozess erfordert. Jede einzelne Schweißstelle erhöht den Phasenwiderstand und reduziert somit die Energieeffizienz der Maschine.
• Die bekannten Fertigungsverfahren für Wellenwicklungen unterstützen nur relative einfache runde oder polygonale Geometrien, wodurch ungünstig große Wickelköpfe entstehen. Dadurch wird der erforderliche Bauraum vergrößert, der Phasenwiderstand erhöht und die Energieeffizienz der Maschine verringert.
• Mit den bekannten Fertigungsverfahren für Wellenwicklungen lassen sich zwar Wickelmatten in beliebiger Länge mit kleinen Formkernen formen, es entstehen allerdings relativ große Wickelköpfe, es sind keine spezifischen Wickelkopfformen möglich und die Übertragung der Wickelmatte vom Formkern auf den Stator stellt einen aufwändigen und komplexen Prozess dar.
• Somit bietet der derzeitige Stand der Technik noch keine befriedigenden Lösungen im Bereich der elektrischen Maschinen. Ziele der Erfindung sind es, die Eigenschaften und den Fertigungsprozess einer Wicklung für eine elektrische Maschine so zu gestalten, dass elektrische Maschinen mit hoher Leistung und/oder Güte im Sinne von Wirkungsgrad, Drehmoment, Leistung und anderen Eigenschaften bei geringer Masse und Volumen einfach konstruiert und kostengünstig hergestellt werden können.
• Konkret besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine kompakte Wicklung bereitzustellen, wobei sich die Lösung vorzugsweise möglichst wenig negativ auf die Leistungsdaten der Maschine auswirkt und wobei die Wicklung vorzugsweise einfach herzustellen ist.
• Die Aufgabe wird durch eine Wicklung nach Anspruch 1 gelöst.
• Die Erfindung umfasst eine Wicklung für eine elektrische Maschine, insbesondere Mehrphasen-Wellenwicklung, die Wicklung umfassend wenigstens einen ersten Leiter, der in Form mehrerer Stege und mehrerer Wickelköpfe angeordnet ist, wobei die Stege und Wickelköpfe entlang des ersten oder jeweiligen Leiters abwechselnd aufeinanderfolgen und ein jeweiliger Wickelkopf eine Verbindung zwischen zwei Stegen bildet, wobei ein erster Wickelkopf einen ersten und einen zweiten Steg des ersten Leiters verbindet, wobei ein zweiter Wickelkopf des ersten oder eines zweiten Leiters einen dritten und einen vierten Steg des ersten oder des zweiten Leiters verbindet, wobei sich der erste und der zweite Wickelkopf kreuzen und der dritte Steg zwischen dem ersten und dem zweiten Steg angeordnet ist, wobei eine erste Achse parallel zu wenigstens dem ersten Steg ist, wobei eine zweite Achse parallel zu einer Richtung einer Relativbewegung eines Läufers der elektrischen Maschine zu einem Ständer der elektrischen Maschine ist, wobei eine dritte Achse senkrecht zur ersten und zur zweiten Achse ist, wobei der Leiter im Bereich des ersten Wickelkopfes einen Abschnitt aufweist, in dem der Leiter zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse verläuft, wobei der erste Steg in einer ersten Richtung entlang der dritten Achse ein Ende aufweist, wobei der Abschnitt in der ersten Richtung entlang der dritten Achse ein Ende aufweist, wobei das Ende des Abschnitts gegenüber dem Ende des ersten Steges entgegen der ersten Richtung versetzt angeordnet ist, und wobei der Abschnitt in Bezug auf die zweite Achse den dritten Steg überspannt.
• Durch den Versatz des Abschnitts gegenüber dem Steg entgegen der ersten Richtung kann der zweite Wickelkopf durch den Bereich des Versatzes geführt werden und es ergibt sich eine besonders kompakte Bauhöhe in Bezug auf die dritte Achse. Dies wird durch den Versatz ferner erreicht, ohne die Stegbreite und/oder die Höhe, in welcher der Steg angeordnet ist in Bezug auf die dritte Achse einzuschränken. Somit kann eine hohe Leistungsdichte bei kompakter Bauweise erreicht werden. Der Versatz stellt eine konstruktiv einfache Lösung dar, sodass die Herstellung einfach und zuverlässig erfolgen kann.
• Die erste, zweite und dritte Achse bilden letztlich ein Koordinatensystem der Wicklung bzw. der elektrischen Maschine. Bei der elektrischen Maschine kann es sich grundsätzlich um eine Rotationsmaschine oder um eine Linearmaschine handeln, wobei das Koordinatensystem entsprechend gilt. Bei der Linearmaschine erfolgt die Relativbewegung eines Läufers der elektrischen Maschine zu einem Ständer der elektrischen Maschine auf einer geraden oder auch komplexeren, aber von einer Kreisform abweichenden Bahn. Bei der Rotationsmaschine erfolgt die Relativbewegung des Läufers zum Ständer hingegen auf einer Kreisbahn. Entsprechend verläuft die zweite Achse bei einer Linearmaschine entlang der Bewegungsbahn, typischerweise gerade. Bei der Rotationsmaschine verläuft die Relativbewegung des Läufers zum Ständer auf einer Kreisbahn, die zweite Achse wird daher im Rahmen dieser Anmeldung im Kontext einer Rotationsmaschine als kreisförmig angesehen. Insoweit angegeben ist, dass Elemente zu der zweiten Achse parallel sind, versteht es sich, dass diese im Kontext einer Rotationsmaschine konzentrisch zur kreisförmigen zweiten Achse sind. Die Achsen lassen sich einzeln oder jeweils auch als Bahn bezeichnen.
• Entsprechendes gilt bezüglich der dritten Achse. Diese bildet bei einer Rotationsmaschine eine radiale Achse und ist entsprechend abhängig vom Winkel, an dem die Wicklung bzw. die elektrische Maschine betrachtet wird.
• Das zugrunde liegende Koordinatensystem wird unten anhand der Figuren noch näher erläutert.
• Bei bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Ende des Abschnitts gegenüber dem Ende des ersten Steges entgegen der ersten Richtung um einen Versatz versetzt angeordnet ist, wobei der Versatz wenigstens 0,3, bevorzugt wenigstens 0,5, bevorzugt wenigstens 0,8, bevorzugt wenigstens 1,0, mal einer Höhe wenigstens des ersten Steges in Bezug auf die dritte Achse entspricht. Es lässt sich Bauraum entsprechend dem Versatz einsparen.
• Ein Steg ist im Allgemeinen bevorzugt zylindrisch ausgeführt. D. h. ein Steg umfasst im allgemeinen einen Querschnitt, der über seine Länge konstant ist. Der Querschnitt kann grundsätzlich rund oder eckig sein oder eine sonstige Form aufweisen.
• Es ist weiter vorteilhaft im Hinblick auf die Leistungsdichte, wenn wenigstens der erste und der zweite Steg mit einem gleichen Querschnitt ausgeführt sind und/oder in Bezug auf die dritte Achse auf gleicher Höhe und/oder an gleicher Position in einem Leiterstapel angeordnet sind.
• Der Leiter kann im Bereich zumindest des ersten Steges und/oder in dem Abschnitt einen zumindest im Wesentlichen viereckigen Querschnitt aufweisen. Dies erlaubt einen hohen Füllfaktor der Nut, welche typischerweise ebenfalls eckig im Querschnitt ist. Allgemein kann ein viereckiger Querschnitt, insbesondere eines Leiters, bevorzugt zumindest im Wesentlichen rechteckig, insbesondere mit unterschiedlich langen Seitenkanten des Querschnitts, ausgeführt sein.
• Weiter Allgemein kann ein Leiter mit viereckigem Querschnitt im Eckbereich z.B. auch eine Abrundung oder eine Fase ausweisen.
• Eine Querschnittsform des Leiters im Abschnitt kann gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel zumindest im Wesentlichen gleich sein wie eine Querschnittsform des Leiters im Bereich zumindest des ersten Steges.
• Eine besonders kompakte Bauform bei hohem Füllfaktor der Nut lässt sich durch eine weitere Ausführungsform erreichen, bei der der Leiter im Bereich wenigstens des ersten Steges eine Stegbreite in Bezug auf die dritte Achse und eine Stegbreite in Bezug auf die zweite Achse aufweist, wobei die Stegbreite in Bezug auf die dritte Achse insbesondere größer ist als die Stegbreite in Bezug auf die zweite Achse. Grundsätzlich kann die Stegbreite in Bezug auf die dritte Achse aber auch kleiner sein als die Stegbreite in Bezug auf die zweite Achse, beispielweise bei radial gestapelten Stegen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Leiter im Abschnitt eine Abschnittsbreite in Bezug auf die dritte Achse und eine Abschnittbreite in Bezug auf die erste Achse aufweist, wobei die Abschnittsbreite in Bezug auf die dritte Achse bevorzugt kleiner ist als die Abschnittsbreite in Bezug auf die erste Achse. Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass die Abschnittsbreite in Bezug auf die dritte Achse zumindest im Wesentlichen gleich der Stegbreite in Bezug auf die zweite Achse ist und/oder wobei die Abschnittsbreite in Bezug auf die erste Achse zumindest im Wesentlichen gleich der Stegbreite in Bezug auf die dritte Achse ist.
• Ein weiteres vorteilhaftes Beispiel umfasst, dass der Leiter im Bereich wenigstens des ersten Steges einen rechteckigen Querschnitt mit einer breiteren Kante parallel zur dritten Achse und einer schmaleren Kante parallel zur zweiten Achse aufweist, wobei der Leiter im Abschnitt einen rechteckigen Querschnitt mit einer breiteren Kante parallel zur ersten Achse und einer schmaleren Kante parallel zur dritten Achse aufweist.
• Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass eine Querschnittsfläche des Leiters in dem Abschnitt zumindest im Wesentlichen gleich einer oder größer als eine Querschnittsfläche des Leiters im Bereich des ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Steges ist. Hierdurch wird erreicht, dass der elektrische Widerstand nicht größer ist, als im Bereich des Steges und somit wird eine hohe Effizienz erreicht. Mit Querschnittsfläche ist ein Flächenmaß, z.B. in mm², gemeint.
• Gemäß einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, dass der zweite Steg in der ersten Richtung entlang der dritten Achse ein Ende aufweist, wobei das Ende des Abschnitts gegenüber dem Ende des zweiten Steges entgegen der ersten Richtung versetzt angeordnet ist, insbesondere um einen gleichen Versatz wie zwischen dem Ende des Abschnitts und dem Ende des ersten Steges.
• Grundsätzlich können die hierin beschriebenen Ausführungsformen, welche sich auf lediglich den ersten Steg und gegebenenfalls dessen räumliche Beziehung zum ersten Wickelkopf beziehen, auf den zweiten Steg und/oder auf weitere Stege und die mit diesen Stegen verbunden Wickelköpfe entsprechend übertragen werden.
• Eine besonders kompakte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Steg in der ersten Richtung entlang der dritten Achse ein Ende aufweist, wobei die Enden des ersten und des zweiten Steges in der ersten Richtung auf gleicher Höhe in Bezug auf die dritte Achse angeordnet sind. Die Bauhöhe des Wickelkopfes in Bezug auf die dritte Achse ist somit insbesondere auf die Bauhöhe wenigstens des ersten Steges begrenzt.
• Der Abschnitt weist bevorzugt eine Länge in Bezug auf die zweite Achse von wenigstens 0,2, weiter bevorzugt wenigstens 0,4, besonders bevorzugt wenigstens 0,6, bevorzugt wenigstens 0,8, bevorzugt etwa 1,0, mal einen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Steg in Bezug auf die zweite Achse auf.
• Ein weiteres Beispiel umfasst, dass der Abschnitt des ersten Wickelkopfes in Bezug auf die zweite Achse im Bereich des zweiten Wickelkopfes vorgesehen ist und/oder wobei der Abschnitt des ersten Wickelkopfes in Bezug auf die zweite Achse in einem Kreuzungsbereich von erstem und zweitem Wickelkopf vorgesehen ist.
• Der zweite Wickelkopf kann sich insbesondere in einem Bereich ausgehend vom Abschnitt in der ersten Richtung erstrecken.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Leiter im Abschnitt eine Abschnittsbreite in Bezug auf die dritte Achse auf, die kleiner ist als eine Stegbreite des Leiters im Steg in Bezug auf die dritte Achse. Hierdurch lässt sich noch mehr Bauraum in Bezug auf die dritte Achse sparen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abschnittsbreite höchstens 1,0, bevorzugt höchstens 0,8 mal, bevorzugt höchstens 0,6 mal, besonders bevorzugt höchstens oder etwa 0,5 mal, bevorzugt höchstens 0,3 mal, so groß ist wie die Stegbreite.
• Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn wenigstens der erste Steg in einer der ersten Richtung entgegengesetzten, ersten Gegenrichtung in Bezug auf die dritte Achse ein zweites Ende aufweist, wobei der Abschnitt in der ersten Gegenrichtung ein zweites Ende aufweist, wobei das zweite Ende des Steges und das zweite Ende des Abschnitts zumindest im Wesentliche auf gleicher Höhe in Bezug auf die dritte Achse liegen. Mit anderen Worten schließen dabei der erste Steg und der Abschnitt in der Gegenrichtung auf gleicher Höhe ab, sind insbesondere fluchtend ausgerichtet. Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf den Bauraum in Bezug auf die dritte Achse.
• Mit Vorteil kann es vorgesehen sein, dass der Leiter im Abschnitt zumindest im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse und/oder parallel zur zweiten Achse verläuft. Dies spart weiteren Bauraum, insbesondere in Bezug auf die erste Achse.
• Ein Leiter kann grundsätzlich beispielsweise entweder als massiver Leiter oder als Litzenbündel ausgeführt werden. Ein Steg ist insbesondere durch einen Leiter gebildet. Es können grundsätzlich beispielsweise auch mehrere Stege, insbesondere derselben Phase, gruppiert und/oder gestapelt angeordnet sein. Mehrere gruppierte Leiter können gemeinsam als eine Leitung bezeichnet werden. Eine Leitung bildet typischerweise eine Phase der elektrischen Maschine. Es können ein oder mehrere Leitungen bzw. Phasen vorgesehen sein.
• Grundsätzlich ist es auch nicht unbedingt nötig aber bei einigen Ausführungen durchaus vorteilhaft, dass alle Leiter einer Steggruppe bzw. eines Stegstapels den erfindungsgemäßen Versatz zwischen Steg und Wickelkopf aufweisen.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stege als Hair-Pins ausgeführt sind. Hierdurch kann ein hoher Füllfaktor erreicht werden und gleichzeitig lässt sich der erfindungsgemäße Versatz besonders einfach bei einer Hair-Pin-Wicklung herstellen.
• Gemäß einer weitere Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Leiter im Bereich des zweiten Wickelkopfes einen Abschnitt aufweist, in dem der Leiter zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse verläuft, insbesondere wobei der dritte und/oder der vierte Steg in einer zweiten Richtung entlang der dritten Achse ein Ende aufweist, insbesondere wobei der Abschnitt des zweiten Wickelkopfes in der zweiten Richtung entlang der dritten Achse ein Ende aufweist, insbesondere wobei das Ende des Abschnitts des zweiten Wickelkopfes gegenüber dem Ende des dritten und/oder vierten Steges entgegen der zweiten Richtung versetzt angeordnet ist. Somit lässt sich weiterer Bauraum einsparen. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Abschnitt des zweiten Wickelkopfes in Bezug auf die zweite Achse den ersten und/oder zweiten Steg überspannt.
• Die zweite Richtung kann insbesondere der ersten Richtung entgegengesetzt sein bzw. der ersten Gegenrichtung entsprechen.
• Es kann vorteilhaft sein, dass sich der Abschnitt des ersten Wickelkopfes und der Abschnitt des zweiten Wickelkopfes überlappen. Alternativ oder zusätzlich können sich der Abschnitt des ersten Wickelkopfes und der Abschnitt des zweiten Wickelkopfes in Bezug auf die zweite Achse überschneiden.
• Außerdem können der Abschnitt des ersten Wickelkopfes und der Abschnitt des zweiten Wickelkopfes parallel zueinander und/oder zu der zweiten Achse verlaufen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Abschnitt des ersten Wickelkopfes ein erster Abschnitt, wobei der Leiter im Bereich des ersten Wickelkopfes einen zweiten Abschnitt aufweist, in dem der Leiter zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse verläuft. Der zweite Steg kann in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten, ersten Gegenrichtung entlang der dritten Achse ein Ende aufweisen. Der zweite Abschnitt kann in der ersten Gegenrichtung ein Ende in Bezug auf die dritte Achse aufweisen. Das Ende des zweiten Abschnitts kann gegenüber dem Ende des zweiten Steges entlang der ersten Gegenrichtung versetzt angeordnet sein. Diese Ausführungsform erweist sich insoweit als besonders vorteilhaft, als ein zweiter Wickelkopf - entsprechend einer Betrachtungsrichtung in Bezug auf die dritte Achse - im Bereich des ersten Abschnitts über den ersten Wickelkopf hinweg und ein dritter Wickelkopf im Bereich des zweiten Abschnitts unter dem ersten Wickelkopf hindurch geführt werden können. Dies hat besondere Vorteile im Hinblick auf die Herstellung der Wicklung, weil eine erhöhte Flexibilität bei der Reihenfolge des Übereinanderlegens der Leiter bzw. Wickelköpfe gegeben ist. Insbesondere ist es möglich, dass mehrere Leitungen oder Phasen einer dreiphasigen Wicklung einfach nacheinander übereinandergelegt werden und dass keine komplizierte Verschachtelung nötig ist.
• Der Leiter kann bevorzugt im ersten und zweiten Abschnitt den gleichen Querschnitt aufweisen, insbesondere wobei die Querschnitte des Leiters im ersten und zweiten Abschnitt parallel zur dritten Achse und/oder in Bezug auf die dritte Achse versetzt angeordnet sind.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Leiter zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt eine Stufe, insbesondere in Bezug auf die dritte Achse.
• Zwischen dem ersten Steg und dem Abschnitt des ersten Wickelkopfes kann z.B. eine Stufe und/oder eine Kröpfung vorgesehen sein. Entsprechendes gilt insbesondere auch zwischen dem oder einem Abschnitt des Wickelkopfes und dem zweiten Steg.
• Die Wicklung kann bevorzugt als eine Mehrphasenwicklung und/oder als eine Wellenwicklung ausgeführt sein. Der erfindungsgemäße Versatz zwischen dem Abschnitt des Wickelkopfes und dem Steg erweist sich bei diesen Ausführungen als besonders vorteilhaft.
• Die Stege können insbesondere parallel zueinander ausgerichtet und/oder gleichmäßig über den Umfang eines Stators oder Rotors verteilt angeordnet sein.
• Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen grundsätzlich auch auf weitere Stege und/oder Wickelköpfe übertragbar sind, zumal eine Wicklung häufig eine Vielzahl von Stegen und Wickelköpfen aufweist. Typischerweise sind alle Stege oder zumindest Sätze von Stegen und/oder alle Wickelköpfe oder zumindest Sätze von Wickelköpfen zumindest im Wesentlichen gleich ausgeführt.
• Die Erfindung umfasst auch eine elektrische Maschine mit einer Wicklung nach vorstehend beschriebener Art.
• Bei der elektrischen Maschine kann es sich um einen Elektromotor und/oder einen elektrischen Generator handeln oder die Maschine kann als Motor und/oder Generator verwendet werden.
• Die elektrische Maschine kann eine Rotationsmaschine oder eine Linearmaschine sein.
• Grundsätzlich kann die Wicklung am Ständer oder am Läufer der elektrischen Maschine angeordnet sein. Gleiches gilt gegebenenfalls für ein oder mehrere Permanentmagneten.
• Gemäß einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Kern. Die Wicklung kann eine Kernwicklung sein. Der Kern kann eine Mehrzahl an Nuten umfassen, in denen z.B. jeweils mindestens ein Steg angeordnet sein kann. In jeweils einer Nut können beispielsweise auch mehrere Stege, insbesondere einer Phase, angeordnet sein. Die mehreren Stege in einer Nut können bevorzugterweise entlang der dritten Achse gestapelt angeordnet sein.
• Die elektrische Maschine kann auch kernlos und/oder nutlos ausgeführt sein. Die Wicklung dieser elektrischen Maschine kann auch als Luftspaltwicklung bezeichnet werden. Mehrere Stege, insbesondere einer Phase, können beispielsweise nebeneinander entlang der zweiten Achse angeordnet sein.
• Die elektrische Maschine kann bevorzugterweise als Synchronmaschine und/oder als Permanentmagnetmaschine ausgebildet sein, besonders bevorzugt als Permanentmagnet-Synchronmaschine, kurz PMSM.
• Die Wicklung und die elektrische Maschine, wie sie hierin beschrieben sind, lassen sich besonders kompakt ausführen, wobei allerdings die Herstellung besonders einfach ist.
• Dementsprechend betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Wicklung nach vorstehend beschriebener Art für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrischen Maschine vorstehend beschriebener Art.
• Eine Ausführungsform des Herstellungsverfahrens umfasst, dass wenigstens der erste Steg und der Abschnitt des ersten Wickelkopfes aus einem Bauteil, hergestellt werden, insbesondere wobei das Bauteil umgeformt wird.
• Beispielsweise kann ein längliches Leitermaterial bereitgestellt werden, von dem ein Längsabschnitt für den ersten Steg und ein Längsabschnitt für den Abschnitt vorgesehen ist.
• Als längliches Leitermaterial kann beispielsweise ein Massivdraht oder auch ein Litzenbündel zum Einsatz kommen.
• Das Leitermaterial zwischen dem Längsabschnitt für den ersten Steg und dem Längsabschnitt für den Abschnitt kann beispielsweise um eine erste Biegeachse gebogen werden, insbesondere ausgehend von einem im Wesentlich geraden Zustand des Leitermaterials. Die Biegung kann bevorzugt um zumindest im Wesentlichen 90° erfolgen. Die erste Biegeachse kann bevorzugt zu einer Längsachse des Leitermaterials senkrecht und/oder in Bezug auf einen in der elektrischen Maschine eingebauten Zustand zur dritten Achse parallel sein.
• Grundsätzlich gilt auch in Bezug auf die beschriebenen Verfahren, dass die jeweils anderen Stege und Wickelköpfe sowie ein jeweiliger Übergang zwischen Steg und Wickelkopf entsprechend ausgeführt sein können.
• Gemäß einer Ausführungsform wird das Leitermaterial zwischen dem Längsabschnitt für den ersten Steg und dem Längsabschnitt für den Abschnitt verdreht, bevorzugt um zumindest im Wesentlichen 90°.
• Insbesondere eine Kombination aus Biegen und Drehen stellt eine einfache Möglichkeit zur flexiblen Formgebung dar und erweist sich bei den erfindungsgemäßen Wickelköpfe als vorteilhaft. Das Biegen und das Verdrehen können zeitlich überlappend oder nacheinander erfolgen.
• Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Bauteil, insbesondere das Leitermaterial im Längsabschnitt für den Abschnitt, zur Herstellung des Abschnitts massivumgeformt, insbesondere fließgepresst.
• Allgemein und unabhängig wird hiermit ein vorteilhaftes Verfahren offenbart, nämlich ein Verfahren zur Herstellung einer Wicklung für eine elektrische Maschine oder zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit einer Wicklung, wobei für die Wicklung wenigstens ein erster Leiter in Form mehrerer Stege und mehrerer Wickelköpfe bereitgestellt wird, wobei die Stege und Wickelköpfe entlang des Leiters abwechselnd aufeinanderfolgen und ein jeweiliger Wickelkopf eine Verbindung zwischen zwei Stegen bildet, wobei eine Formgebung für wenigstens einen ersten Wickelkopf eine Massivumformung umfasst. Dieses Verfahren ist besonders einfach und erlaubt insbesondere eine Formgebung im Wesentlichen ohne Veränderung der Querschnittsfläche. Dies ist besonders vorteilhaft, weil somit im Wesentlichen keine oder zumindest nur eine geringe Reduzierung der Leitfähigkeit des Wickelkopfes zu erwarten ist. Gleichzeitig lässt sich bestehender Bauraum besonders effizient nutzen. Dieses Verfahren lässt sich natürlich entsprechend der übrigen hierin beschriebenen Ausführungsformen von Verfahren und Vorrichtungen weiterbilden.
• Beim Massivumformen kann bevorzugt eine Umformkraft in einer Kraftrichtung auf den Leiterabschnitt für den Abschnitt aufgebracht werden, wobei die Kraftrichtung in Bezug auf einen in der elektrischen Maschine eingebauten Zustand parallel zur dritten Achse und/oder entgegengerichtet zur ersten Richtung ist. Somit lässt sich auf besonders einfache Weise der erfindungsgemäße Versatz zwischen den Enden von Steg und Wickelkopf herstellen.
• Sofern die Herstellung auch ein Biegen umfasst, kann das Massivumformen zur Herstellung des Abschnitts zum Beispiel vor und/oder nach dem Biegen erfolgen. Grundsätzlich ist auch ein Massivumformen während des Biegens möglich.
• Gemäß einer Ausführungsform werden wenigstens der erste Steg und der erste Wickelkopf aus getrennten Bauteilen zusammengefügt, insbesondere mittels Schweißen, Löten oder einer Pressverbindung.
• Der zweite Steg und der erste Wickelkopf können aus getrennten Bauteilen zusammengefügt werden, insbesondere mittels Schweißen, Löten oder einer Pressverbindung.
• Der zweite Steg kann mit dem ersten Wickelkopf einteilig verbunden sein. Der zweite Steg und der erste Wickelkopf können aus einem Bauteil, insbesondere durch Umformen und/oder wie oben in Bezug auf den ersten Steg beschrieben, hergestellt werden.
• Die elektrische Maschine kann einen ferromagnetischen Kern mit alternierenden Zähnen und Nuten umfassen, die beispielsweise entlang des Umfangs um den ferromagnetischen Kern verteilt sind. Die Wicklung kann eine oder mehrere, um den Umfang des ferromagnetischen Kerns in Bezug auf die dritte Achse und/oder in radialer Richtung gestapelte Lagen umfassen, die in die Nuten eingesetzt sind.
• Wenn NP die Zahl der Phasen der elektrischen Maschine darstellt, kann die Wicklung beispielsweise aus NP oder einem Vielfachen von NP Leitern bestehen.
• Jeder Leiter kann parallele, gerade, in die Nuten eingesetzte Segmente als Stege und/oder gebogene Segmente als Wickelköpfe aufweisen, die die benachbarten Stege einer Phase, insbesondere einer Richtung parallel zur zweiten Achse und/oder in tangentialer Richtung, verbinden. Zwischen zwei benachbarten Stegen der gleichen Phase können bevorzugt NP Zähne und/oder NP-1 Nuten angeordnet sein.
• Die Wickelköpfe können in Bezug auf die dritte Achse und/oder radial gestapelt in einem hohlzylinderförmigen Wickelkopffenster angeordnet sein. Insbesondere sind Wickelköpfe und/oder ein entsprechendes Wickelkopffenster an beiden Enden der Stege in Bezug auf die erste Achse vorgesehen. Die Wickelköpfe können koaxial auf beiden Seiten des Kerns in Bezug auf die erste Achse angeordnet sein. Die Wickelköpfe können bevorzugt in Bezug auf die dritte Achse und/oder radial zentriert zu den Nuten oder um maximal das Doppelte der Wicklungshöhe oberhalb oder unterhalb bzw. inner- oder außerhalb des durch die Nutenmitten gebildeten Kreises angeordnet sein.
• Die Wickelköpfe von je drei Phasen, insbesondere wenigstens einer Lage, können radial gestapelt in zwei Schichten auf beiden Statorseiten in Bezug auf die erste Achse liegen.
• Im Folgenden wird sich beispielhaft lediglich auf eine Rotationsmaschine und insbesondere eine radiale Richtung bezogen, wobei die Ausführungen für die Linearmaschine entsprechend gelten.
• Zum Beispiel können die Wickelköpfe in tangentialer Richtung mit alternierender radialer Wickelkopfposition angeordnet sein, so dass ein innenliegender Wickelkopf einer Phase jeweils einen Teil der beiden rechts und links außenliegenden Wickelköpfe der beiden anderen Phasen überdeckt und ein außenliegender Wickelkopf einer Phase jeweils einen Teil der beiden rechts und links innenliegenden Wickelköpfe der beiden anderen Phasen überdeckt, wodurch in einer Phase in Durchlaufrichtung von Phasenanfang zu Phasenende gesehen immer zwei nacheinander liegende Wickelköpfe einer Lage alternierend innen und außen ausgerichtet auf verschiedenen Statorseiten liegen.
• Die Wickelköpfe können auch in tangentialer Richtung mit gleichbleibender radialer Wickelkopfposition angeordnet sein, so dass alle innenliegenden Wickelköpfe zu einer Phase gehören, alle außenliegenden Wickelköpfe zu einer weiteren Phase gehören und die verbleibende Phase ausschließlich Wickelköpfe mit zwei radial versetzten Abschnitten und insbesondere einer Kröpfung zwischen den Abschnitten aufweist. Die Abschnitte liegen insbesondere anteilig auf den inneren und äußeren Wickelköpfen. Die Wickelköpfe können von Vielfachen von drei Phasen in radialer Richtung in einer der beiden definierten Anordnungen gestapelt werden und bei Phasenzahlen, die keine Vielfache von drei sind, entsprechend dem Teilungsrest eine oder zwei Phasen in die verbleibenden freien Positionen gelegt werden. Die Höhe des Wickelkopfpakets HH einer Lage bestehend aus allen inneren und äußeren und gekröpften Wickelköpfen kann bevorzugt der Wicklungssteghöhe HW entsprechen oder im Bereich zwischen 50% und 200% der Wicklungssteghöhe HW liegen. Der tangentiale Verlauf des Wickelkopfes kann bevorzugt unter einem rechten Winkel oder unter einem Winkel zwischen 60° und 90° zur Stegrichtung verlaufen.
• Die Querschnittsform des Leiters kann kreisförmig, rechteckig beliebig geformt sein. Der Leiter kann beispielsweise einen dicken oder mehrere dünne Drähte, insbesondere Litzen, oder Profile umfassen. Größe und Form des Querschnitts können sich entlang des Leiters ändern. Das Material kann Kupfer und/oder ein anderes Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit sein oder umfassen. Der Leiter oder die Lagen können teilweise oder vollständig im oder außerhalb des ferromagnetischen Kerns hergestellt werden.
• Jede Phase kann eine Anzahl NL von tangential in Reihe angeordneten Leitern umfassen, wobei NL bevorzugt größer oder gleich eins sein kann.
• Eine Spule jeder Phase in einer Lage kann einen oder mehrere Leiter umfassen und derselbe Leiter kann in mehr als einer Lage vorhanden sein.
• Eine tangentiale Leiterfortsetzungsrichtung am radialen Übergang des Leiters zur nächsten Lage kann gleichbleibend ausgeführt sein oder in die entgegengesetzte Richtung abbiegen.
• Der Stator kann beispielsweise keine Nuten und/oder Zähne aufweisen. Die Wicklung kann auf dem Stator fixiert im Luftspalt liegen. Bevorzugt können in einem Magnetpolwinkel 2 * NP Wicklungsstege auf dem Stator angeordnet sein.
• Phasenklemmen können durch Kürzen und gegebenenfalls radiales Umbiegen und/oder Verformen der Wickelkopfstücke am Phasenanfang gebildet werden und dadurch axial hinter den Wickelköpfen angeordnet werden.
• Eine Sternpunktschiene kann etwa durch Kürzen und Fügen der Wickelkopfstücke an den Phasenenden und gegebenenfalls radiales Umbiegen und Verformen des Wickelkopfstücks, insbesondere der dritten Phase, gebildet werden.
• Im Bereich der Phasenklemmen und der Sternpunktschiene kann ein axialer Bauraum mit der Tiefe des Wickelkopfüberstands AH, mit der Höhe bis zu den Magneten und/oder mit einer Breite größer als ein magnetisches Pool-Paar entstehen, der zur Aufnahme eines Sensors genutzt werden kann.
• Die Form eines Wickelkopfes kann halbkreisförmig, dreieckförmig, gerade oder U-förmig sein oder eine andere geometrische Form aufweisen. Im Wickelkopf kann die Höhe des Leiters HW reduziert werden, um die Wickelköpfe in radialer Richtung paarweise stapeln zu können, ohne zusätzlichen radialen Bauraum zu benötigen. Der stromführende Querschnitt des Leiters kann bevorzugt nicht verkleinert, sondern bei Bedarf vergrößert werden und/oder Formänderungen können mit stetigen Übergängen ausgeführt werden, um den Phasenwiderstand möglichst klein zu halten.
• Die gesamte Wicklung, umfassend alle Phasen, kann beispielsweise in einem Schritt gefertigt werden oder die Phasen werden einzeln vorgefertigt, dann zu einer Wicklung verwoben oder gestapelt und dann in die Nuten eingelegt oder die Wicklungsstege werden in die Nuten eingeführt und dann mit den Wickelköpfen fügetechnisch verbunden.
• Die Wickelköpfe können beispielsweise durch Biegen eines Massivdrahts oder eines Litzenbündels mit einem Aspektverhältnis größer gleich 2:1 in einem Torsionsschritt mit 90° Torsionswinkel um eine Torsionsachse parallel zur Stegachse und/oder einem Biegeschritt um zwei radiale Achsen um jeweils 90° erfolgen. Der Begriff „Aspektverhältnis“ bezieht sich auf das Verhältnis der Längen der Seitenkanten eines rechteckigen Querschnitts des Leiters.
• Die Wickelköpfe können z.B. durch Biegen eines radial gestapelten Massivdrahtstapels mit einem Aspektverhältnis des Einzeldrahts kleiner 2:1 in einem Torsionsschritt mit 90° Torsionswinkel um eine Torsionsachse parallel zur Stegachse und/oder einem Biegeschritt um zwei radiale Achsen um jeweils 90° erfolgen.
• Die Wickelköpfe und gegebenenfalls die Wicklungsstege können durch Massivumformung, z.B. Fließpressen oder Schmieden, insbesondere von Leiterprofilen, hergestellt werden.
• Die Wickelköpfe und Wicklungsstege können z.B. durch Fügen, wie z.B. Schweißen oder Klemmen, entweder außerhalb des Stators oder bevorzugt nach Einbringen der Wicklungsstege in den Stator, verbunden werden.
• Die Abschnitte der Wickelköpfe können zumindest teilweise auch selbst gestuft oder gekröpft ausgeführt werden und/oder es können zwei Abschnitte am Wickelkopf vorgesehen sein, zwischen denen eine Stufe oder Kröpfung vorgesehen ist. Die Stufe bzw. Kröpfung kann in etwa tangential mittig im Wickelkopf angeordnet sein. Somit kann der Teil des Wickelkopfes vor der Stufe bzw. Kröpfstelle wie bei einem obenliegenden Wickelkopf liegen und der Teil des Wickelkopfes nach der Stufe bzw. Kröpfstelle wie bei einem untenliegenden Wickelkopf liegen. Diese Reihenfolge kann auch getauscht werden.
• Die Wickelköpfe können beispielsweise additiv gefertigt und/oder mit nicht additiv gefertigten Wicklungsstegen innerhalb oder außerhalb des Stators verbunden werden. Die Wickelköpfe und Wicklungsstege können additiv innerhalb oder außerhalb des Stators gefertigt werden.
• Zum Beispiel können die Wickelköpfe durch Biegen aus einem Drahtbündel aus einer Anzahl NL horizontal nebeneinander angeordneten Profildrähten gefertigt werden, z.B. durch Biegen in zwei radialen Achsen und einer Kröpfung oder zwei eng beieinanderliegende Biegungen um +90° und -90° um eine tangentiale Achse, welche den gebogenen Teil des Wickelkopfes mindestens um die Hälfte der Wicklungssteghöhe HW nach oben oder unten relativ zum Wicklungssteg verformt.
• Die Wickelköpfe können z.B. auch radial in Richtung Statorkern gebogen und gegebenenfalls mechanisch und/oder thermisch mit dem Stator kontaktiert werden.
• Die Wickelkopfpakete können beispielsweise auch verbacken, vergossen und/oder in eine Trägersubstanz eingebunden werden.
• Die Wickelköpfe können z.B. in mindestens einer Lage einer Nutwicklung und/oder mindestens einer Lage einer Luftspaltwicklung radial gestapelt werden.
• Die Wicklung kann als selbsttragende Luftspaltwicklung entweder mit radial gestapelten oder mit teilweise gekröpften Wickelköpfen ausgeführt sein. Die Wickelköpfe können verbacken, vergossen oder in eine Trägersubstanz eingebettet werden und bei Bedarf mit radial oder axial angeordneten Stützringen versehen werden. Die Wicklungsstege können verbacken, vergossen oder in eine Trägersubstanz eingebettet werden.
• Durch die Erfindung und gegebenenfalls ihre Ausführungsformen können zahlreiche Vorteile erreicht werden. Die Wicklung ist kostengünstig herstellbar. Es werden eine hohe Packungsdichte, ein großer Leiterquerschnitt und kurzen Wickelköpfen zur Reduktion des Phasenwiderstands und der Baugröße erreicht. Dies wird unter anderem durch eine alternierende Anordnung der Wickelköpfe in radialen Schichten einer Wicklungslage erreicht. Die Formgebung und/oder die Verbindung der Wickelköpfe mit den Wicklungsstegen sind werkstoffschonend. Die Verbindung kann wahlweise mit einer Reduktion der Wickelkopfhöhe ohne Reduktion des stromführenden Querschnitts ausgeführt sein. Möglich ist auch die Nutzung von Profildrähten oder Profilen, bevorzugt im Hochkantformat (Aspektverhältnis größer 1:1) in Kombination mit einem geometrisch, werkstoff- und fertigungstechnisch angepassten Wickelkopf und Wicklungssteg. Der oder die Leiter können z.B. als kontinuierliche Matte mit einem Umformprozess hergestellt werden, beispielsweise mit einer hohen Formbeständigkeit zur Vereinfachung der Handhabung, des Transports und der Positionierung für das Einführen der Wicklungsstege in die Statornut. Der Leiter kann auch als diskrete Wicklungsstege in die Nut einlegbar/einsteckbar sein und mit einem Fügeprozess mit den Wickelköpfen verbunden werden.
• Die Erfindung liefert einen hocheffizienten, insbesondere mehrphasigen, Wicklungsaufbau hoher Packungsdichte und eine kostengünstige und präzise Fertigungsmethode für Wellenwicklungen, die bestehende Lösungen ersetzen und neue Anwendungsfelder erschließen kann. In bestehenden Fertigungsprozessen von elektrischen Maschinen muss lediglich die Fertigung und Zuführung der sehr leicht handhabbaren/transportierbaren Wicklungsmatte bzw. ein vorhandener Hair-Pin Fertigungsprozess ersetzt werden. Wirkungsgrad und spezifisches Drehmoment von elektrischen Maschinen werden signifikant erhöht, Herstellungskosten werden reduziert.
• Erreicht werden können insbesondere a) eine Erhöhung des Wirkungsgrads elektrischer Maschinen durch die Verringerung des Phasenwiderstands bei gleichzeitiger Reduktion des axialen und radialen Bauraums von elektrischen Maschinen, insbesondere durch Minimierung der axialen und tangentialen Wickelkopflänge sowie der radialen Wickelkopfhöhe ohne Verringerung des stromführenden Leiterquerschnitts in Kombination mit einem sehr hohen Füllfaktor in der Nut bzw. im Luftspalt, b) die Reduktion des Gewichts von elektrischen Maschinen durch maximale Nutzung der Kupferanteile und die Verringerung der Eisenanteile sowie c) die Reduktion der Kosten für elektrische Maschinen durch eine günstige Wicklungs- und Statorfertigung.
• Durch den höheren Wirkungsgrad, das höhere spezifische Drehmoment und den reduzierten Bauraum können neue Anwendungsfelder erschlossen werden, insbesondere im Bereich E-Mobilität, Mikro-Mobilität und der Leichtbauantriebe sowie in allen Anwendungsbereichen, in denen ein sehr hoher Wirkungsgrad in Kombination mit einem niedrigen Gewicht gefordert ist. Die elektrischen Maschinen mit der erfindungsgemäßen Wicklung können einen sehr weiten Drehzahlbereich abdecken. Durch die geringen Kupferverluste und das hohe Drehmoment eignen sich die Maschinen als Torque-Motor oder Windkraftgenerator auch im sehr niedrigen Drehzahlbereich. Durch die geringen Eisenverluste und den hohen Wirkungsgrad eignen sich die Maschinen auch für Anwendungen mit sehr hohen Drehzahlen z.B. im Bereich der Mikroantriebe oder als Generatoren z.B. für Gasturbinen.
• Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
• Die Figuren zeigen beispielhaft mehrphasige Wellenwicklungen hoher Packungsdichte einer elektrischen Maschine oder „E-Maschine“ mit einem hohen spezifischen Drehmoment und einem hohen Wirkungsgrad. Die Maschine ist beispielhaft als Außenläufer ausgeführt.
• Die dargestellte Ausführung ist z.B. für den direkten Antrieb von Elektrofahrzeugen, elektrischen Drohnen sowie für den direkten Betrieb von Generatoren in Windturbinen geeignet, was vorteilhafte Anwendungsfelder der Erfindung sind. Daneben bezieht sich die Erfindung natürlich auch auf die anderen bekannten Ausführungsformen, Ausführungen oder Typen elektrischer Maschinen.
• Die dargestellten Ausführungsformen der Maschine weisen eine radiale Ausrichtung des Magnetfelds auf. Es sind auch Konstruktionen mit einer anderen Ausrichtung des Magnetfeldes möglich.
• Die dargestellten Ausführungen der elektrischen Maschine umfassen Permanentmagnete. Die Erfindung kann grundsätzlich aber auch in einer Induktionsmaschine oder einer anderen Art von Maschine realisiert werden.
• Die dargestellten Ausführungen der elektrischen Maschine umfassen alternierend radial magnetisierte Permanentmagneten. Es können aber auch andere Magnet-Topologien, wie z.B. ein Halbach Array, verwendet werden.
• Die dargestellten Ausführungen der elektrischen Maschine umfassen einen tangential und axial gleichförmigen und axial ausgerichteten Aufbau von Rotor und Stator. Es können auch tangential und axial inhomogene oder axial schräggestellte Aufbauten möglich, z.B. der Magnete oder der Statornuten, z.B. zur Reduktion des Rastmoments oder aus fertigungstechnischen Gründen, mit einer angepassten Wicklung verwendet werden. Alle Nuten im Anwendungsbeispiel sind aus Gründen der Vereinfachung offen gezeichnet. Es ist offensichtlich, dass sie z.B. durch ein Abdeckelement oder einen speziell geformten Polschuh ganz oder teilweise geschlossen werden können.
• Die dargestellten Ausführungen der elektrischen Maschine umfassen einen Rotor- und einen Statoreisenrückschluss. Es können aber z.B. auch Sandwich-Aufbauten mit mehreren Rotor- oder Statoreisenrückschlüssen verwendet werden.
• Konstruktive Lösungen gemäß der vorliegenden Erfindung können natürlich auch für Linearantriebe verwendet werden, insbesondere wobei sich der aktive Teil der Maschine in einem geraden Abschnitt über die Maschinenlänge erstreckt.
• Außerdem können die beschriebenen topologischen und konstruktiven Lösungen der Wicklung sowohl im Stator als auch im Rotor des Motors realisiert werden. Der Einfachheit halber wird die Erfindung für die Statorwicklung dargestellt.
• 1 zeigt eine aufgeschnittene räumliche Ansicht der aktiven Teile einer permanenterregten E-Maschine mit genutetem Stator mit einer Wellenwicklung mit hoher Packungsdichte und mit radial alternierenden Wickelköpfen.
• 2 zeigt verschiedene Ansichten der aktiven Teile der E-Maschine: a) Frontansicht; b) Seitenansicht; c1) Schnitt durch die Seitenansicht; c2) vergrößerter Ausschnitt aus c1; d) Ausschnitt der Frontansicht mit Wickelköpfen; e) Schnitt durch die Frontansicht mit einem Wickelkopffenster; f) Ausschnitt der Frontansicht mit Phasenklemmen und Sternpunktschiene.
• 3 zeigt einen perspektivischen Ausschnitt der E-Maschine im Bereich von Phasenklemmen und Sternpunktschiene.
• 4 zeigt eine Phase einer Wellenwicklung in verschiedenen Ansichten: a) perspektivische Ansicht, Frontansicht, Seitenansicht und Draufsicht, b) Schnitt durch die Frontansicht mit axialer und radialer Ausdehnung eines Wickelkopffensters.
• 5 zeigt eine planare Matte einer Wellenwicklung mit einer Lage in verschiedenen Ausführungen: a) mit Phasenklemmen einseitig, b) mit Phasenklemmen zweiseitig.
• 6 zeigt einen Ausschnitt der Matte von 5 a).
• 7 zeigt einen Ausschnitt des Stators mit eingelegter Wicklung.
• 8 zeigt eine planare Matte einer Wellenwicklung mit drei Lagen in verschiedenen Ansichten: a) perspektivische Ansicht; b) Ausschnitt der perspektivischen Ansicht mit den Wickelköpfen.
• 9 zeigt eine planare Matte einer Wellenwicklung mit Wickelköpfen mit mittiger Kröpfung in verschiedenen Ansichten: a) perspektivische Ansicht mit Phasenklemmen einseitig, b) Ausschnitt aus 9 a) mit den Wickelköpfen.
• 10 zeigt Schemata verschiedener Stapelungen der Wellenwicklungen mit hoher Packungsdichte über den Umfang der Maschine: a) Keine Stapelung, einmal umlaufend; b) Stapelung fortlaufend; b1) zweilagig; b2) dreilagig; c) 2-Teilung, keine Stapelung; d) 2-Teilung, Stapelung rücklaufend; d1) zweilagig; d2) dreilagig; e) 3-Teilung, keine Stapelung; f) 3-Teilung, Stapelung dreilagig; f1) fortlaufend; f2) rücklaufend.
• 11 zeigt Schemata der Wickelkopfanordnung einer Wellenwicklung in verschiedenen Ausführungen: a) dreiphasig; b) vierphasig; c) fünfphasig.
• 12 zeigt Beispiele verschiedener Wickelkopfausführungen: a) räumlich gebogener Massivdraht oder Litzenbündel; b) vertikal gestapelter Doppeldraht gebogen; c) Profil aus Massivumformung; d) Profil für Schweißverbindung; e) Profil für Klemmverbindung mit Stegen; f) Wickelkopf gekröpft aus Massivumformung; g) Wickelkopf einer Luftspaltwicklung mit mehreren parallelen Drähten.
• 13 zeigt eine aufgeschnittene räumliche Ansicht der aktiven Teile einer permanenterregten E-Maschine mit nutenlosem Stator mit einer Ausführungsform der Wicklung als Luftspaltwicklung.
• 14 zeigt Schnitte durch die aktiven Teile der E-Maschine von 13: a) Fronansicht mit Wickelkopffenster; b) Schnitt quer zum Statorring; c) vergrößerter Ausschnitt des Schnitts b).
• Das erste Ausführungsbeispiel in 1 zeigt eine als Rotationsmaschine ausgeführte elektrische Maschine 1 mit einem äußeren Läufer oder Rotor 32 und einem inneren Ständer oder Stator 33, wobei es sich versteht, dass auch eine umgekehrte Ausführung möglich ist.
• Der Stator 33 ist als genuteter Stator ausgeführt, in den eine dreiphasige Wellenwicklung 2 mit hoher Packungsdichte mit radial alternierenden Wickelköpfen eingelegt ist, zusammen mit den anderen aktiven Teilen eines permanenterregten elektrischen Synchronmotors. Auf einem Rotoreisen 3 dieser Maschine befindet sich eine gerade Anzahl NM von Permanentmagneten 4. Die Magnete sind in radialer Richtung magnetisiert und die Magnetisierung erfolgt alternierend in tangentialer Richtung. Zwei nebeneinanderliegende alternativ polarisierte Magnete bilden ein Pol-Paar und definieren eine magnetische Periode mit dem magnetischen Winkel AM=4*π/NM.
• Der in den Permanentmagneten 4 generierte magnetische Fluss passiert den Luftspalt 5 und wird dann durch den ferromagnetischen Statorkern 6 geführt, der aus Magnetstahl oder einem anderen Material mit hoher Permeabilität besteht. Die Anzahl der Zähne 7 und Nuten 8 ist üblicherweise das Produkt aus der Anzahl der Phasen NP und der Anzahl der Magnete NM, kann aber auch davon abweichen. Die Nutbreite ist mindestens so groß wie die Breite der eingelegten Leiterstücke 9.
• In den Nuten 8 befindet sich eine Wicklung 2, die aus einer oder mehreren Lagen 28 besteht. 1 zeigt eine Wicklung mit einer Lage 28. Die Wicklung 2 besteht aus NP oder einem Vielfachen von NP Leitern 9, die die Nuten 8 ausfüllen. 1 zeigt drei Phasen 15, 16 und 17. NP ist bevorzugt drei oder ein Vielfaches von drei. NP hat generell bevorzugt einen Wert größer als oder gleich zwei. Jeder Leiter 9 besteht aus parallelen geraden Segmenten, den Wicklungsstegen 10, sowie aus abgewinkelten Verbindungsstücken, den Wickelköpfen 11. Die geraden Wicklungsstege 10 sind gleich lang. Es gibt bevorzugt NP Zähne 7 und NP-1 Nuten 8 zwischen zwei benachbarten geraden Wicklungsstegen 10 der gleichen Phase.
• Die axial angeordneten geraden Wicklungsstege 10 sind tangential durch abgewinkelte Wickelköpfe 11 verbunden. Die Wickelköpfe 11 sind geometrisch in einem Hohlzylinder 12 angeordnet, der in 2 d) gestrichelt angedeutet ist. Koaxial auf beiden Seiten des Statorkerns ist jeweils ein solcher Hohlzylinder 12 vorgesehen. In jedem der beiden Hohlzylinder 12 liegen die Wickelköpfe der drei Phasen radial gestapelt in tangentialer Richtung alternierend in einer äußeren und einer inneren Schicht in der Art, dass ein innenliegender Wickelkopf 13 jeweils einen Teil der beiden rechts und links außenliegenden Wickelköpfe 14 überdeckt und ein außenliegender Wickelkopf 14 jeweils einen Teil der beiden rechts und links innenliegenden Wickelköpfe 13 überdeckt.
• In 1 ist ein Koordinatensystem eingezeichnet. Eine erste Achse A1 ist parallel zu wenigstens einem ersten Steg 11. Bei der hier beispielhaft dargestellten Rotationsmaschine, bei der die Stege 11 parallel zur Rotationsachse sind, ist die erste Achse A1 parallel zu einer Rotationsachse der Rotationsmaschine. Eine zweite Achse A2 verläuft parallel zu einer Richtung einer Relativbewegung eines Läufers bzw. Rotors der elektrischen Maschine 1 zu einem Ständer bzw. Stator der elektrischen Maschine 1. Die zweite Achse A2 ist bei dieser Ausführung senkrecht zur ersten Achse A1. Eine dritte Achse A3 ist senkrecht zur ersten Achse A1 und zur zweiten Achse A2. Der jeweilige Leiter der Phasen 15, 16, 17 weist im Bereich eines jeweiligen Wickelkopfes 11 einen Abschnitt 31 auf, in dem der Leiter zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse und in der vorliegenden Ausführungsform auch parallel zur zweiten Achse A2 verläuft.
• Position und Ausrichtung der Achsen sind grundsätzlich abhängig von dem Punkt der Maschine, welcher betrachtet wird. Da es sich bei der hier beispielhaft dargestellt Maschine 1 um eine Rotationsmaschine handelt, ist insbesondere die dritte Achse A3 radial ausgerichtet. Dies bedeutet, dass etwa bei einem anderen als dem hier zeichnerisch mit dem Koordinatensystem versehenen Wickelkopf 11 die Achse A3 einen anderen Winkel zum Betrachter von 1 hat. Die Achse A2 ist kreisförmig - entsprechend der Relativbewegung zwischen Läufe 32 und Ständer 33. Das Koordinatensystem ist somit letztlich ein Zylinderkoordinatensystem. Bei einer Linearmaschine mit gerader Führungsbahn wäre das Koordinatensystem ein kartesisches Koordinatensystem.
• 2 zeigt bei a) eine Frontansicht und bei b) eine Seitenansicht der E-Maschine 1. Der Überstand bzw. die axiale Länge der Wickelköpfe AH über den Statorkern sollte so gering wie möglich ausfallen, um die axiale Baulänge und den Phasenwiderstand möglichst gering zu halten. Dies wird durch einen besonderen Verlauf des Wickelkopfes 11 erreicht. So verläuft ein Abschnitt 31 des Leiters im Bereich des Wickelkopfes 11 senkrecht zur dritten Achse A3 bzw. tangential. Es ist bevorzugt, wenn der Abschnitt senkrecht oder unter einem Winkel größer 60° zur Stegrichtung bzw. zur ersten Achse verläuft.
• In den 2 c1) und c2) ist eine Querschnittsansicht gezeigt, wobei 2 c2) eine Vergrößerung der in 2 c1) linksseitig gezeigten Wickelköpfe 11, 13, 14 zeigt. Es ist sichtbar, wie sich ein Steg 10 über die Breite des Statorkerns erstreckt. An den Enden des Stegs 10 in Bezug auf die erste Achse A1 schließt sich jeweils ein Wickelkopf 11 an.
• In 2 c2) sind zwei sich überlappende Wickelköpfe 11, nämlich ein oberer Wickelkopf 14 und ein unterer Wickelkopf 13 sichtbar. Der Wickelkopf 14 schließt an den Steg 10 an. Der Wickelkopf 13 verbindet zwei andere Stege miteinander und kreuzt sich mit dem Wickelkopf 14 des Steges 10.
• In 2 c2) liegt die Schnittebene in einem Abschnitt 31 des Wickelkopfes 13, nämlich einem Abschnitt 31, in dem der Leiter zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse A3 verläuft.
• Eine erste Richtung 35 verläuft entlang der dritten Achse A3. Der Steg 10 weist ein Ende 36 in der ersten Richtung 35 auf. Der Wickelkopf 14 weist ebenfalls einen Abschnitt 31 auf, der in Bezug auf die erste Richtung 35 ein Ende 37 aufweist, welches in 2 c2) dargestellt ist.
• Das Ende 37 des Abschnitts 31 des Wickelkopfes 14 ist gegenüber dem Ende 36 des (ersten) Steges 10 entgegen der ersten Richtung 35 versetzt angeordnet, nämlich um einen Versatz 38. Der Versatz 38 beträgt in dieser Ausführungsform 0,5 mal die Höhe HW des (ersten) Steges in Bezug auf die dritte Achse A3.
• Ein entsprechender, spiegelverkehrt ausgeführter Versatz besteht bei dem Abschnitt 31 des (zweiten) Wickelkopfes 13 bezüglich der Stege, welche dieser Wickelkopf 13 verbindet. In Bezug auf die Bildebene von 2 c2) bedeutet dies, dass das obere Ende des Abschnitts 31 des Wickelkopfes 13, welches ebenfalls bei Position 37 liegt, zu den oberen Enden der entsprechenden Stege versetzt angeordnet ist, wiederum mit einem Versatz um 0,5 mal der Höhe HW der Stege in Bezug auf die dritte Achse A3.
• Der (erste) Steg 10 weist in einer der ersten Richtung 35 entgegengesetzten, ersten Gegenrichtung 39 in Bezug auf die dritte Achse A3 ein zweites Ende 41 auf. Der Abschnitt 31 des (ersten) Wickelkopfes 14 weist in der ersten Gegenrichtung 39 ein zweites Ende 42 auf. Das zweite Ende 41 des Steges 10 und das zweite Ende 42 des Abschnitts 31 liegen zumindest im Wesentlichen auf gleicher Höhe in Bezug auf die dritte Achse A3.
• Beim Abschnitt 31 des Wickelkopfes 13 ist sind die Dimensionen in der Bildebene referenziert, nämlich eine Abschnittsbreite AB1 in Bezug auf die erste Achse A1 und eine Abschnittsbreite AB3 in Bezug auf die dritte Achse A3. Die Abschnittsbreite AB3 in Bezug auf die dritte Achse A3 ist in diesem Beispiel kleiner als die Abschnittsbreite AB1 in Bezug auf die erste Achse A1. Konkret ist bei dieser besonders vorteilhaften Ausführungsform die Abschnittsbreite AB3 in Bezug auf die dritte Achse A3 zumindest im Wesentlichen gleich der Stegbreite WW, siehe 2 e), in Bezug auf die zweite Achse A2 und die Abschnittsbreite AB1 in Bezug auf die erste Achse A1 ist zumindest im Wesentlichen gleich der Stegbreite HW in Bezug auf die dritte Achse A3. Dies lässt sich z.B. auf besonders einfache Weise durch Massivumformung des Leitermaterials, insbesondere ausgehend vom im Steg vorhandenen Querschnitt, erreichen. Die Einleitung einer Umformkraft könnte dabei zumindest im Wesentlichen parallel zur dritten Achse A3 erfolgen.
• Wie sich insbesondere aus 2 c2) und den obigen Ausführungen ergibt, sind die Wickelköpfe 11 äußerst kompakt ausgeführt. So ist erstens die radiale Bauhöhe HH der Wickelkopfreihe nur so groß, wie die Steghöhe HW. Zweitens ist aber auch die axiale Baulänge AH der Wickelköpfe 11 äußerst kurz, und zwar bei einfacher Herstellung.
• Eine Breite bzw. tangentiale Länge des Wickelkopfes WH, siehe 2 d), ist in diesem Ausführungsbeispiel kleiner als 75% einer magnetischen Periode. Eine Höhe des Wickelkopfpakets HH, siehe ebenfalls 2 d), bestehend aus inneren Wickelköpfen 13 und äußeren Wickelköpfen 14 entspricht vorteilhafterweise der Wicklungssteghöhe HW, siehe z.B. 2 c1) und c2), kann aber z.B. auch im Bereich zwischen 50% und 200% der Wicklungssteghöhe HW liegen. 2 e) zeigt einen Schnitt durch die Frontansicht des Stators mit einem Bauraum 12 der Wickelköpfe. Der Bauraum 12 liegt idealerweise radial zentriert zu den Nuten 8, kann aber z.B. auch um maximal das Doppelte der Wicklungssteghöhe HW inner- oder außerhalb des durch die Nutenmitten gebildeten Kreises liegen.
• In 2 d) ist eine Länge LA eines Abschnitts 31.A eines ersten Wickelkopfes 11.1 gekennzeichnet. Der Leiter im Bereich des Abschnitts 31.A verläuft senkrecht zur dritten Achse A3 und parallel zur zweiten Achse A2. Die Länge LA bildet eine Länge des Abschnitts 31.A in Bezug auf die zweite Achse A2 bzw. in tangentialer Richtung.
• In 2 d) ist illustriert, dass die Achse A2 kreisförmig ist, da es sich bei der hier beispielhaft dargestellten elektrischen Maschine um eine Rotationsmaschine handelt und da hierbei die Relativbewegung des Läufers 32 zu dem Stator 33 entsprechend kreisförmig ist.
• In 2 e) ist ein Abstand zwischen zwei Stegen 10 derselben Phase, die also über einen hier nicht dargestellten Wickelkopf verbunden sind, mit DS bezeichnet. Die Länge LA des Abschnitts 31.A, siehe 2 d), insbesondere eines jeden Abschnitts 31, beträgt bevorzugt wenigstens 0, 2, bevorzugt wenigstens 0, 4, weiter bevorzugt 0, 6 mal DS.
• In 2 d) ist ein zweiter Wickelkopf mit 11.2 bezeichnet. Der zweite Wickelkopf 11.2 ist ein solcher einer anderen Phase als diejenige des Wickelkopfes 11.1.der zweite Wickelkopf 11.2 weist ebenfalls einen Abschnitt 31.B auf, in dem der Leiter zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse A3 verläuft. Allerdings ist die Achse A3 in einer Rotationsmaschine, wie sie hier gezeigt ist, radial. Je nachdem bei welchem Winkel bzw. bei welcher Position entlang der Achse A2 die Wicklung betrachtet wird, hat die Achse A3 einen anderen Winkel zum Betrachter als diejenige, die in 2 d) eingezeichnet ist.
• Der Abschnitt 31.A des ersten Wickelkopfes 11.1 und der Abschnitt 31.B des zweiten Wickelkopfes 11.2 sind überlappend angeordnet und überschneiden sich in Bezug auf die zweite Achse A2. Zudem verlaufen der Abschnitt 31.A des ersten Wickelkopfes 11.1 und der Abschnitt 31. B des zweiten Wickelkopfes 11.2 parallel zueinander im Zylinderkoordinatensystem: Die Abschnitte 31.A und 31.B sind aber in Bezug auf die dritte Achse A3 versetzt, und zwar insbesondere derart, dass sie sich in Bezug auf die dritte Achse A3 nicht überschneiden.
• In 2 f) ist ein Ausschnitt gezeigt, in dem Phasenklemmen 21, 22 und 23 sichtbar sind. Diese können beispielsweise hergestellt werden durch Kürzen und gegebenenfalls radiales Umbiegen und Verformen der Wickelkopfstücke am Phasenanfang. Eine Sternpunktschiene entsteht durch Kürzen der Wickelkopfstücke an den Phasenenden 24, 25 und 26 , gegebenenfalls radiales Umbiegen und Verformen des Wickelkopfstücks 26 und Kontaktieren der Wickelkopfstücke bzw. Phasen.
• Die Phasenklemmen 21, 22 und 23 sind bevorzugt axial hinter den Wickelköpfen angeordnet, so dass sie keinen zusätzlichen axialen Bauraum benötigen und einfach zu kontaktieren sind. Die Sternpunktschiene, die aus den verkürzten jeweils letzten Wickelköpfen 24, 25 und 26 gebildet ist und mit einem üblichen Fügeprozess, z.B. Schweißen, kontaktiert wird, liegt im Bereich der Wickelköpfe und nimmt somit ebenfalls keinen oder kaum zusätzlichen Bauraum ein. 2 f) zeigt eine mögliche Ausführungsform.
• Beim radialen Umbiegen der Phasenanschlüsse 21, 22 und 23 und der Sternpunktklemme 26 entsteht ein axialer Bauraum 27, hier mit tangentialer Länge L27 und radialer Höhe H27 hervorgehoben, der z.B. zur Aufnahme eines Lagesensors genutzt werden kann. Der verfügbare Bauraum 27 erstreckt sich mit L27 in tangentialer Richtung über mehr als eine magnetische Periode AM und ist somit für Magnetfeldmessungen zur Bestimmung der Rotorlage ausreichend groß. Die axiale Tiefe entspricht dem Wickelkopfüberstand AH. Die radiale Höhe H27 erstreckt sich bis zu den Magneten 4. Somit lässt sich ein Sensor, z.B. ein Lagesensor integrieren, ohne zusätzlichen Bauraum zu beanspruchen. Werden einige der genannten Klemmen nicht umgebogen, so entsteht ein in tangentialer und/oder radialer Richtung entsprechend verkleinerter Bauraum. Ein perspektivischer Schnitt durch die aktiven Motorteile in 3 zeigt den Bereich der Phasenklemmen und der Sternpunktschiene.
• Die Form eines Wickelkopfes 11 kann grundsätzlich halbkreisförmig, dreieckförmig, gerade oder U-förmig sein oder auch eine andere geometrische Form aufweisen, insbesondere eine solche, die eine möglichst kurze Verbindung von zwei benachbarten Wicklungsstegen derselben Phase ermöglicht. Bevorzugt wird im Wickelkopf 11 die Höhe des Leiters HW, siehe 2 c1) und c2), reduziert, um die Wickelköpfe 11 in radialer Richtung paarweise stapeln zu können, ohne zusätzlichen radialen Bauraum zu benötigen. Dabei wird der stromführende Querschnitt bevorzugt nicht verkleinert oder bei Bedarf vergrößert, um den Phasenwiderstand möglichst klein zu halten. Formänderungen werden mit stetigen Übergängen ausgeführt, um den Stromfluss nicht zu behindern.
• Die Wicklungsstege 10 haben bevorzugt mindestens eine Länge, welche der Tiefe des Statorkerns entlang der ersten Achse A1 entspricht, üblicherweise eine möglichst geringe Überlänge DH - siehe 4 b) -, um die Isolationsfestigkeit der Wicklung sicherzustellen und/oder die Fertigung der Wickelköpfe und die Montage zu erleichtern. Eine zusätzliche Isolation der Statorseiten, z.B. durch eine Beschichtung oder eine Abdeckscheibe, ermöglicht sehr geringe Überlängen DH.
• Die sequentielle Anordnung der Wicklungsstege 10 und Wickelköpfe 11 zusammen bilden eine Phase einer Wellenwicklung. 4 a) zeigt verschiedene Ansichten einer Phase bzw. eines Leiters mit radial alternierenden Wickelköpfen. Die Seitenansicht (oben waagerecht) verdeutlicht die radiale Positionierung der Wickelköpfe, wonach in Durchlaufrichtung von Phasenanfang zu Phasenende gesehen, immer zwei nacheinander liegende Wickelköpfe unten (entspricht Wickelkopf 13) oder oben (entspricht Wickelkopf 14) ausgerichtet alternierend auf verschiedenen Statorseiten liegen. 4 b) zeigt in einem Schnitt durch die Frontansicht einer Phase die radiale Lage der unteren Wickelköpfe 13 und oberen Wickelköpfe 14 sowie die axiale und radiale Ausdehnung des Wickelkopffensters 12.
• Eine Phase kann aus einem oder mehreren Massivdrähten oder Profilen beliebigen Querschnitts oder aus einem Litzenbündel beliebigen Querschnitts hergestellt werden.
• Alle Phasen zusammen bilden die Wellenwicklung 2. Die gesamte Wicklung kann entweder in einem Schritt innerhalb oder außerhalb des Stators gefertigt werden, oder die Phasen 15, 16 und 17 können einzeln vorgefertigt, dann zu einer Wicklung verwoben und dann in die Nuten eingeführt werden, oder die Wicklungsstege 10 werden in die Nuten 8 eingeführt und dann mit den Wickelköpfen 11 fügetechnisch verbunden. Die Wicklungsstege 10 befinden sich in den Statornuten 8 und füllen diese möglichst vollständig aus. Jeder Wickelkopf 11 verläuft tangential über einen Teil der magnetischen Periode.
• 5 zeigt zwei Ausführungen einer Wicklungsmatte mit radial alternierenden Wickelköpfen, nämlich in 5 a) eine Ausführung mit allen Phasenklemmen auf einer Seite der Matte und in 5 b) mit Phasenklemmen auf beiden Seiten der Matte. Die Anordnung a) hat den Vorteil, dass die Phasenanschlüsse leichter zu kontaktieren sind, da sie auf derselben Seite räumlich nah beieinander liegen. Die Anordnung b) hat den Vorteil, dass eine lückenfreie Matte entsteht, die leichter zu handhaben ist. 5 zeigt den dichten Aufbau des Wickelkopfpakets, bei dem die Wickelköpfe der drei Phasen ohne Lücken in zwei radial gestapelten Schichten angeordnet sind.
• 6 zeigt einen Ausschnitt der Wicklungsmatte bestehend aus drei Phasen 15, 16 und 17 mit alternierend unten 13 und oben 14 liegenden Wickelköpfen. Hier ist die Wicklung 2 in einem Zustand vor dem Einlegen in die Statornuten 8. Konkret ist die Matte im Wesentlichen eben ausgebreitet. In diesem Zustand ist die Achse A2 gerade. In der gezeigten Ausrichtung ließe sich die Wicklung 2 bzw. Matte aber z.B. auch in einem Linearmotor einsetzen.
• 7 zeigt eine Wicklung 2 umfassend die Phasen 15, 16 und 17 mit alternierend unten 13 und oben 14 liegenden Wickelköpfen, welche in die Statornuten 8 eingelegt ist.
• Die kompakte Mehrphasen-Wellenwicklung 2 kann aus mehr als einer Lage 28 bestehen. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Aufbaus einer Wicklungsmatte bestehend aus drei Lagen 28.1, 28.2 und 28.3. Die Höhe der Wickelköpfe ist idealerweise abgestimmt auf die Höhe der Wicklungslage, so dass beliebig viele Lagen kollisionsfrei radial gestapelt werden können, ohne zusätzlichen radialen Bauraum zu beanspruchen. Es ist aber auch möglich, höhere oder niedrigere Wickelköpfe zu verwenden, wodurch die Höhe des Wickelkopfpakets anwächst. 8 zeigt drei gestapelte Einzelmatten mit radial alternierenden Wickelköpfen. Es kann auch eine längere Wicklungsmatte gefertigt und dann auf dem Stator gestapelt und eingelegt werden. Die Wicklungsmatte aus 8 kann beispielweise einfach ein Stapel von drei Wicklungsmatten gemäß 5 a) oder b) sein.
• 9 a) zeigt eine weitere Ausführung einer Wicklungsmatte mit einer Lage, bestehend aus drei Phasen. Die erste Phase 15 weist hier nur untere Wickelköpfe 13 auf. Alle Wickelköpfe der dritten Phase 17 sind oberen Wickelköpfe 14. Die zweite Phase 16 besitzt gekröpfte Wickelköpfe 30, welche anteilig jeweils den unteren und oberen Teil des Wickelkopffensters bzw. der unteren und oberen Schicht belegen. Auch diese Form der Wellenwicklung mit gekröpften Wickelköpfen 30 ermöglicht eine raumoptimale Stapelung der drei Phasen. 9 b) zeigt einen Ausschnitt mit den Wickelköpfen 13, 30, 14. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die drei Phasen lediglich radial nacheinander gestapelt werden müssen, um eine Wicklungsmatte zu erzeugen. Die Lage der Stege und des Wickelkopffensters entspricht der Wellenwicklung mit radial alternierenden Wickelköpfen, wie sie oben beschrieben ist, so dass Wickelmatten beider Bauformen gleich verwendet und sogar gemischt werden können.
• Die Lagen 28 können auf dem Stator übereinander gestapelt werden, und zwar grundsätzlich über den gesamten Umfang der Maschine in radialer Richtung oder nur auf einzelnen Segmenten des Stators oder in einer Kombination, wie in 10 exemplarisch dargestellt. Der radiale Übergang zwischen den einzelnen Lagen 28 kann so erfolgen, dass die Folge der Wicklungsstege 10 und Wickelköpfe 11 in der gleichen oder in der entgegengesetzten tangentialen Richtung verläuft. Die Lagen 28 können auch ineinander verschlungen sein. Die geteilten Konfigurationen ermöglichen eine Absenkung des Spannungsniveaus durch Parallelschaltung der geteilten Segmente. Bei einer geradzahligen Segmentzahl kann durch Drehen der geraden oder ungeraden Segmente um 180° dafür gesorgt werden, dass Phasenklemmen und Sternpunkt paarweise zusammen liegen, was die Kontaktierung erheblich vereinfacht, besonders im Fall von zwei Segmenten, wobei man alle Phasenklemmen und die beiden Sternpunkte zusammenlegen kann.
• Die Abbildungen zeigen eine Lösung für den Fall des Dreiphasenmotors. Analoge Lösungen eignen sich grundsätzlich auch für alle anderen mehrphasigen Motoren. Bevorzugt ist die Phasenzahl NP gleich drei oder ein Vielfaches von drei, da in diesem Fall eine besonders hohe Packungsdichte der Wickelköpfe erreicht werden kann. 11 zeigt Beispiele für ein Anordnungsschema mit radial alternierenden Wickelköpfen für a) drei Phasen, b) vier Phasen und c) fünf Phasen. Die Wickelkopfanordnungen am Anfang einer Phase können beliebig gewählt werden, solange die alternierende Reihenfolge beibehalten wird. Bei drei Phasen ergibt sich eine sehr kompakte Wickelkopfanordnung in zwei Schichten jeweils in einer Ebene von unterer Ebene E1 und oberer Ebene E2 ohne Lücken. Durch radiales Stapeln der Wickelköpfe von dreiphasigen Anordnungen lassen sich kompakte sechs-, neun- usw. -phasige Anordnungen erstellen. Die Wickelkopfhöhe der verwendeten dreiphasigen Anordnung ist dabei jeweils zu halbieren, zu dritteln usw., wenn der radiale Bauraum eingehalten werden soll. Phasenzahlen NP, die kein Vielfaches von drei sind, lassen sich darstellen, wie in 11 b) am Beispiel von vier Phasen und 11 c) am Beispiel von fünf Phasen gezeigt. Eine VierPhasen-Wicklung wird z.B. aus einer dicht gepackten Drei-Phasenwicklung und einer zusätzlich in den verbleibenden Freiraum eingelegten vierten Phase erzeugt. Somit werden durch die Wickelköpfe insgesamt drei Schichten jeweils in einer Ebene von unterer Ebene E1, mittlerer Ebene E2 und oberer Ebene E3 belegt. Eine Fünf-Phasenwicklung wird z.B. aus einer dicht gepackten Drei-Phasenwicklung und zwei zusätzlich in die beiden Freiräume sequentiell eingelegten vierten und fünften Phase erzeugt. Somit werden durch die Wickelköpfe insgesamt vier Schichten jeweils in einer Ebene von unterster Ebene E1, zweiter Ebene E2, dritter Ebene E3 und oberster Ebene E4 belegt. Durch die Einzelphasen weist das Wickelkopfpaket Lücken in tangentialer Richtung auf und benötigt somit zusätzlichen Bauraum im Vergleich zu einer drei-, sechs- oder neun- usw. -phasigen Anordnung.
• Die Wicklung 2 besteht aus Leitern 9, deren Querschnitt kreisförmig, rechteckig, trapezförmig oder ein anderer Querschnitt sein kann, wobei ein Leiter 9 aus vielen dünnen Drähten oder einem massiven Draht oder Profil bestehen kann. Größe und Form des Querschnitts können sich entlang des Leiters ändern. Kupfer oder ein anderes Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit kann verwendet werden. Eine Anpassung des Leiterquerschnitts an die Nutgeometrie ermöglicht einen hohen Füllfaktor. Der hohe Füllfaktor ermöglicht gute thermische Kontakte und einen geringeren elektrischen Widerstand. Die Höhe HW und Breite WW des Leiters 9 (siehe z.B. 2 e)) stellen die Leiterabmessungen in radialer und tangentialer Dimension dar. Bei einem kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt sind die Breite und die Höhe identisch. Jede Phase kann aus einer beliebigen Zahl NL von Leitern in tangentialer Reihenfolge bestehen, wobei bei Nutwicklungen für NL bevorzugt eins gewählt wird.
• Eine hierin beschriebene Wicklung kann durch unterschiedliche Verfahren und aus unterschiedlichen Halbzeugen hergestellt werden, die wiederum Auswirkungen auf die möglichen Wickelkopf- und Wicklungsstegausführungen haben. Beispiele für diese Fertigungsverfahren sind:
1. a) Biegen und/oder Verdrehen, jeweils insbesondere in mehreren Achsen
2. b) Fügen
3. c) Massivumformen
4. d) Additive Fertigung
• Im Folgenden sollen die Möglichkeiten durch einige Ausführungsbeispiele verdeutlicht werden:
• Beispielsweise kann die Herstellung der Wicklung ein Biegen eines Massivdrahts oder eines Litzenbündels in mehreren Achsen, z.B. gemäß 12 a), umfassen. Das Biegen eines Massivdrahts bzw. eines Litzenbündels erfolgt vorzugsweise in zwei Umformungsschritten, um die Materialbeanspruchung zu begrenzen. In einem Torsionsschritt mit 90° Torsionswinkel um eine Torsionsachse, Pos. 34 in 12 a), parallel zur Stegachse, wird der tangentiale Abschnitt 31 des Wickelkopfes 11 gebildet. In einem Biegeschritt um zwei radiale Achsen, Pos. 44 in 12 a), werden zwei Biegungen um 90° ausgeführt, um eine gebogene Form des Wickelkopfes 11 darzustellen. Der Wickelkopf 11 hat dann die Höhe der Stegbreite. Ein Aspektverhältnis des Stegs von 2:1 liefert nach Stapelung von zwei Wickelkopfstücken ein Wickelkopfpaket in Höhe des Wicklungstegs HW und damit eine sehr kompakte Anordnung. Der minimale Biegeradius ist vorzugsweise auf das 3- bis 4-fache der Drahtbreite WW begrenzt, wodurch sich eine axiale Wickelkopflänge von z.B. 4*WW+HW+DH ergibt. Bei einem Aspektverhältnis von 2:1 ergibt das 6*WW+DH. Der Querschnitt des Wicklungsstegs ist durch den Querschnitt des verwendeten Massivdrahts bzw. Litzenbündels festgelegt. 12 a) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wickelkopfes aus räumlich gebogenem Massivdraht. Ein Litzenbündel zeichnet sich z.B. dadurch aus, dass es nicht aus ausschließlich vertikal gestapelten Drähten besteht.
• Beim sequentiellen Biegen mehrerer alternierender Wickelköpfe und Wicklungsstege aus Massivdraht oder einem Litzenbündel entsteht eine Phase. Drei Phasen können anschließend zu einer Wicklungsmatte verwoben werden. Bevorzugt werden die Wickelköpfe aller drei Phasen aus drei Massivdrähten bzw. Litzenbündeln in einem Schritt hergestellt und die Wicklungsmatte wird direkt beim Biegen aufgebaut. Die Form und Reihenfolge der Wickelköpfe ergeben sich aus der Anordnung in 12 a) und/oder 11.
• Die Herstellung kann auch ein Biegen eines Massivdrahts in mehreren Achsen umfassen, wobei insbesondere ein Leiter mit radial versetztem Abschnitt 31 und ein Leiter ohne radialen Versatz kombiniert werden können, wie es in 12 b) gezeigt ist. Um das kombinierte Biegen eines Massivdrahtes mit hohem Aspektverhältnis bzw. die Füllfaktorverschlechterung des Litzenbündels zu vermeiden, können beispielsweise zwei oder mehr radial gestapelte Massivdrähte, bevorzugt mit quadratischem Querschnitt, verwendet werden. Die Biegungen bleiben in der Art und Reihenfolge wie bei einem Massivdraht/Litzenbündel erhalten, vereinfachen sich jedoch aufgrund der deutlich geringeren Widerstandsmomente der dünneren Massivdrähte. Bei Verwendung von zwei gleichen quadratischen Drähten hat man automatisch effektiv ein Aspektverhältnis von 2:1, wenn man die beiden Leiter zusammen betrachtet, und damit ein sehr kompaktes Wickelkopfpaket. Die axiale kombinierte Wickelkopflänge ergibt sich z.B. zu 5*WW+DH. Der Querschnitt des Wicklungsstegs ist durch den Querschnitt des verwendeten Drahtes festgelegt. 12 b) zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Leitern mit radial gestapelten und gebogenen quadratischen Massivdrähten. Es können auch mehr als zwei Drähte mit angepassten Drahthöhen gestapelt werden, um die Widerstandsmomente der Drähte weiter zu verringern. Beim sequentiellen Biegen mehrerer alternierender Wickelköpfe entsteht eine Phase. Drei Phasen können anschließend zu einer Wicklungsmatte verwoben werden. Bevorzugt werden die Wickelköpfe aller drei Phasen aus drei gestapelten Massivdraht-Paaren in einem Schritt hergestellt und die Wicklungsmatte beim Biegen aufgebaut. Die Form und Reihenfolge der Wickelköpfe ergeben sich aus der Anordnung in 12 b) und/oder 11.
• Eine weitreichende Freiheit der Formgebung von Wickelkopf und/oder Wicklungssteg erhält man durch Massivumformung, z.B. Fließpressen oder Schmieden, der Wickelköpfe. Man nutzt z.B. die günstigen Fließeigenschaften von Kupfer, um eine ideale Wickelkopfgeometrie zu gestalten, und zwar ohne Begrenzung durch Biegeradien. Durch die hohe Flexibilität bei der Umformung lassen sich axial sehr kurze Wickelköpfe herstellen und die Querschnittsänderungen stetig formen. Die axiale Wickelkopflänge kann bei einem gewählten Abstand von WW zwischen Stator und Wickelkopf z.B. bis auf 3*WW+DH verkürzt werden, z.B. bei einem Aspektverhältnis von 2:1. Bei Bedarf kann auch der Wicklungssteg z.B. trapezförmig oder in einer anderen gewünschten Geometrie, z.B. durch Massivumformung des Wicklungsstegs oder durch Wahl eines Halbzeugs mit geeigneter Geometrie, angepasst werden, wodurch der Füllfaktor, besonders bei kleinerem Statordurchmesser, erheblich gesteigert werden kann. Die verwendeten Querschnitte in Wicklungssteg und Wickelkopf sind unabhängig wählbar. Ausgangsmaterial ist z.B. blankes Kupfer oder ein anderes Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit als Draht, Profil oder anderes Halbzeug. Die Aufbringung der Isolation erfolgt nach Fertigstellung der Phase/Wicklung, z.B. durch Lackierung.
• 12 c) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines massivumgeformten Wickelkopfes. Beim sequentiellen Massivumformern mehrerer alternierender Wickelköpfe und eventuell Wickelstege aus Profildraht entsteht eine Phase. Drei Phasen können anschließend zu einer Wicklungsmatte verwoben werden. Bevorzugt werden die Wickelköpfe aller drei Phasen aus drei Profilen in einem Schritt hergestellt und die Wicklungsmatte beim Massivumformen aufgebaut. Die Form und Reihenfolge der Wickelköpfe ergeben sich aus der Anordnung in 12 c) und 11.
• Insbesondere kann der in 12 c) gezeigte Wickelkopf 11 aus einem massiv Draht mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt geformt werden, indem der Draht zunächst zu einer U-Form gebogen wird, sodass Stege 10 parallel ausgerichtet sind. Anschließend kann eine Massivumformung dahingehend erfolgen, dass der Bereich zwischen den Parallelen Stegen 10 im Wesentlichen platt gepresst wird. Somit entsteht im ein Querschnitt mit im wesentlichen gleicher Querschnittsfläche wie im Bereich der Stege 10, wobei die Höhe in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen halbiert ist und die Breite im Wesentlichen verdoppelt ist. Die Querschnittsform entspricht damit im Wesentlichen derjenigen der Stege 10, ist aber quasi um 90° gedreht.
• In 12 c) sind ferner eine erste Richtung 35, ein Ende 36 des Steges 10 in der ersten Richtung 35 sowie ein Ende 37 des Abschnitts 31 in der ersten Richtung 35 angedeutet. Zwischen dem Ende 36 und dem Ende 37 besteht ein Versatz 38.
• Es ist auch möglich, Wickelköpfe und Stege zu fügen, wie es beispielhaft in 12 e) illustriert ist. Beim Fügen der Wickelköpfe ist es möglich, geometrisch im Querschnitt angepasste und isolierte, z.B. lackierte, Wicklungsstege in die Nuten einzuführen, die in diesem Fall auch teilweise oder vollständig geschlossen sein können. Die Wickelköpfe können umformtechnisch z.B. durch Stanzen oder durch ein Trennverfahren, z.B. durch Laserschneiden, oder andere Fertigungsverfahren vorgefertigt werden. Der Fügeprozess zwischen Wicklungssteg 10 und Wickelkopf 11 erfolgt z.B. durch Schweißen, Klemmen, Nieten, Fließpressen, ein anderes Fügeverfahren oder einer Kombination dieser Verfahren. Die Fügestelle muss nachisoliert werden. Die verwendeten Querschnitte in Wicklungssteg und Wickelkopf sind unabhängig wählbar. Durch die kompakte Fügestelle lassen sich axial sehr kurze Wickelköpfe herstellen. Die axiale Wickelkopflänge kann bei einem gewählten Abstand von WW zwischen Stator und Wickelkopf bis auf 3*WW+DH verkürzt werden, insbesondere bei einem Aspektverhältnis von 2:1. Je nach gewähltem Fügeverfahren ist mit einer geringfügigen Erhöhung des Übergangswiderstands zwischen Wicklungssteg und Wickelkopf zu rechnen. 12 d) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wickelkopfes für eine Schweißverbindung, bei der der Wicklungssteg stumpf mit dem Wickelkopf, z.B. durch Plasmaschweißen, gefügt wird. 12 e) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wickelkopfes und eines passenden Wicklungssteges für eine Klemmverbindung. Die Form der Fügestelle kann z.B. leicht konisch, wie in 12 e), ausgeführt sein oder eine andere geometrische Form annehmen. Alternierend konkave und konvexe Erhebungen oder Vertiefungen an der Oberfläche beider Fügepartner verbessern die mechanische und elektrische Verbindung. Die Reihenfolge der Wickelköpfe ergibt sich z.B. aus der Anordnung in 11.
• In 12 f) ist ein Ausführungsbeispiel eines Wickelkopfes 11 gezeigt, welcher einen ersten Abschnitt 31.1 mit Versatz 38.1, wie etwa in Bezug auf 12 c) beschrieben, gegenüber einem ersten Steg 10.1 aufweist. Im Bereich des Wickelkopfes 11 ist außerdem ein zweiter Abschnitt 31.2 vorgesehen, in dem der Leiter zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse A3 verläuft.
• Der zweite Steg 10.2 weist in einer zur ersten Richtung 35 entgegengesetzten, ersten Gegenrichtung 39 entlang der dritten Achse A3 ein Ende 36.2 auf. Der zweite Abschnitt 31.2 weist in der ersten Gegenrichtung 39 ein Ende 37.2 in Bezug auf die dritte Achse A3 auf. Das Ende 37.2 des zweiten Abschnitts 31.2 ist gegenüber dem Ende 36.2 des zweiten Steges 10.2 entlang der ersten Gegenrichtung 39 versetzt angeordnet, nämlich um einen Versatz 38.2. Der erste Abschnitt 31.1 und der zweite Abschnitt 31.2 sind somit letztlich spiegelverkehrt versetzt ausgeführt. Zwischen dem ersten Abschnitt 31.1 und dem zweiten Abschnitt 31.2 ist eine Stufe oder Kröpfung 40 vorgesehen.
• Beispielsweise um den Aufwand für das Verweben von Phasen mit radial alternierenden Wickelköpfen zu vermeiden, können derartig gekröpfte Wickelköpfe verwendet werden. Die Kröpfung 40 liegt in etwa mittig im tangential verlaufenden Abschnitt des Wickelkopfes, so dass der Teil des Wickelkopfes vor der Kröpfstelle, wie bei einem obenliegenden Wickelkopf 14 liegt und der Teil des Wickelkopfes nach der Kröpfstelle, wie bei einem untenliegenden Wickelkopf 13 liegt. Diese Reihenfolge kann auch getauscht werden.
• Der Wickelkopf 30 von 9 b) kann vorteilhafterweise entsprechend 12 f) ausgeführt sein. Alle in 12 dargestellten Wickelkopfausführungen können grundsätzlich in gekröpfter Form ausgeführt werden.
• Das Ausführungsbeispiel gemäß 12 f) kann beispielsweise ähnlich zu demjenigen der 12 c) hergestellt werden, insbesondere durch eine Massivumformung und vorzugsweise mit vorheriger Biegung eines länglichen Ausgangsmaterials. Der Querschnitt des länglichen Ausgangsmaterials ist bevorzugt rechteckig, insbesondere mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen und/oder einem Aspektverhältnis von 2: 1. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt im Bereich der Stege 10 bestehen bleibt, d. h. der Querschnitt der Stege 10 demjenigen des Ausgangsmaterials entspricht. Es ist somit nur eine Verformung des Querschnitts im Bereich des Wickelkopfes 11 erforderlich.
• Sowohl für 12 c) als auch 12 f) gilt vorzugsweise, dass beim Massivumformen eine Umformkraft in einer Kraftrichtung auf den Leiterabschnitt für den Abschnitt 31 aufgebracht wird, wobei die Kraftrichtung in Bezug auf einen in der elektrischen Maschine eingebauten Zustand parallel zur dritten Achse A3 ist.
• Ferner ist auch eine additive Fertigung der Wickel köpfe und/oder Wicklungsstege möglich. Additive Fertigungsverfahren bieten eine sehr hohe Flexibilität sowohl in der Formgebung als auch in der Ausführung der Wicklung. Ähnlich wie beim Fügen können isolierte Wicklungsstege 10 in die offenen oder geschlossenen Nuten eingelegt oder eingesteckt werden, wonach die Wickelköpfe 11 als Verbindung zweier benachbarter Wicklungsstege 10 einer Phase additiv gefertigt und insbesondere gleichzeitig kontaktiert werden. In diesem Fall sind lediglich die Wickelköpfe 10 nachzuisolieren. Ähnlich wie beim Massivumformen können die einzelnen Phasen 15, 16 und 17 oder die gesamte Wicklung 2, bestehend aus Wicklungsstegen 10 und Wickelköpfen 11, additiv gefertigt werden, entweder außerhalb des Stators 6 als vorgefertigte Wicklungsmatte oder direkt in den Nuten 8 des Stators als integrierte Wicklung. Bei vorgefertigten Wicklungsmatten kann in einem separaten Schritt isoliert werden. Bei integrierten Wicklungen ist die Isolation Teil der additiven Fertigung. Die axiale Wickelkopflänge kann bei einem gewählten Abstand von WW zwischen Stator und Wickelkopf z.B. bis auf 3*WW+DH verkürzt werden, insbesondere bei einem Aspektverhältnis von 2:1. Alle in 12 aufgeführten Wickelkopfgeometrien sind mit einer additiven Fertigung darstellbar. Die Reihenfolge der Wickelköpfe ergibt sich z.B. aus der Anordnung in 11.
• Das nächste Ausführungsbeispiel in 13 zeigt eine elektrischen Maschine 29 mit nutenlosem Stator, auf dem eine dreiphasige Wellenwicklung mit hoher Packungsdichte 2 als Luftspaltwicklung mit radial alternierenden Wickelköpfen aufgebracht ist, zusammen mit den anderen aktiven Teilen eines permanenterregten elektrischen Synchronmotors. Diese Maschine 29 hat auf dem Rotoreisen 3 eine gerade Anzahl NM von Permanentmagneten 4. Die Magnete 4 sind in radialer Richtung magnetisiert und die Magnetisierung erfolgt alternierend in tangentialer Richtung. Zwei nebeneinanderliegende alternativ polarisierte Magnete bilden ein Pol-Paar und definieren eine magnetische Periode AM=4*π/NM.
• Nach dem Passieren des Luftspaltes 5 und der im Luftspalt liegenden Wellenwicklung 2 wird der magnetische Fluss durch den ferromagnetischen Statorkern 6 geführt, der aus Magnetstahl oder einem anderen Material mit hoher Permeabilität besteht. Der Stator besitzt keine Nuten und Zähne, wodurch er sehr niedrig und leicht ausführbar ist und konstruktionsbedingt ein Rastmoment vermeidet.
• Auf dem Eisenrückschluss im Luftspalt 5 befindet sich eine Wicklung 2, die aus einer oder mehreren Lagen 28 bestehen kann, z.B. mit Stapelung ähnlich zu 8. 13 zeigt die Wicklung mit einer Lage 28. Die Wicklung 2 kann NP oder ein Vielfaches von NP Leitern 9 umfassen, die direkt im Luftspalt liegen, wobei NP die Anzahl der Phasen darstellt. NP ist bevorzugt drei oder ein Vielfaches von drei oder ein beliebiger Wert größer gleich zwei. Jede Phase umfasst hier mehrere benachbarte, parallele, gerade Segmenten, die Wicklungsstege 10, sowie abgewinkelte Verbindungsstücke, die Wickelköpfe 11. Die geraden Wicklungsstege 10 sind gleich lang. Um Wirbelströme zu reduzieren, ist jede Phase in NL Einzeldrähte unterteilt. Die Anzahl NL der Einzeldrähte ergibt sich aus dem Drehzahlbereich, in dem die Maschine betrieben wird und dem Querschnitt der Einzeldrähte. Die Einzeldrähte können einen runden bevorzugt einen rechteckigen allgemein einen beliebigen Querschnitt aufweisen.
• Die axial angeordneten, geraden Wicklungsstege 10 sind tangential durch abgewinkelte Wickelköpfe 11 verbunden, die insbesondere geometrisch in je einem Hohlzylinder bzw. Wickelkopffenster angeordnet sind, die koaxial auf beiden Seiten des Statorkerns liegen. In jedem der beiden Hohlzylinder bzw. Wickelkopffenster liegen die Wickelköpfe der drei Phasen radial gestapelt in tangentialer Richtung alternierend auf einer äußeren und einer inneren Schicht in der Form, dass ein innenliegender Wickelkopf 13 jeweils einen Teil der beiden rechts und links außenliegenden Wickelköpfe 14 überdeckt und ein außenliegender Wickelkopf 14 jeweils einen Teil der beiden rechts und links innenliegenden Wickelköpfe 13 überdeckt. 14 a) zeigt einen Ausschnitt aus der Frontansicht der E-Maschine 29 mit dem Wickelkopffenster 12.
• 14 b) zeigt einen Schnitt durch die aktiven Teile der nutenlosen E-Maschine 29. Der Überstand der Wickelköpfe AH über den Statorkern sollte so gering wie möglich ausfallen, um die axiale Baulänge und den Phasenwiderstand möglichst gering zu halten. Dies wird durch einen tangentialen Verlauf des Wickelkopfes rechtwinklig oder unter einem Winkel größer 60° zur Stegrichtung erreicht. Die Breite des Wickelkopfes WH, siehe 14 a), ist bevorzugt kleiner als 75% einer magnetischen Periode. Die Höhe des Wickelkopfpakets HH, siehe 14 c), liegt bevorzugt im Bereich zwischen 50% und 200% der Wicklungssteghöhe HW. Die radiale Position des Wickelkopfpakets kann wie in 13 b) mittig zum Wicklungssteg ausgerichtet sein oder z.B. um jeweils maximal zwei Wicklungssteghöhen HW radial nach unten oder oben verschoben sein.
• Ein jeweiliger Leiter im Bereich des (ersten) Wickelkopfes 13 weist einen Abschnitt 31 auf, in dem der Leiter zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse A3 und hier auch senkrecht zur ersten Achse A1 verläuft. Der (erste) Steg 10 weist in einer ersten Richtung 35 entlang der dritten Achse A3 ein Ende 36 auf. Der Abschnitt 31 des Wickelkopfes 13 weist in der ersten Richtung 35 entlang der dritten Achse A3 ein Ende 37 auf. Das Ende 37 des Abschnitts 31 des Wickelkopfes 13 ist gegenüber dem Ende 36 des ersten Steges 10 entgegen der ersten Richtung 35 versetzt angeordnet.
• Ein Ende 42 des Abschnitts 31 des ersten Wickelkopfes 13 in einer der ersten Richtung 35 entgegengesetzten, ersten Gegenrichtung 39 ist versetzt gegenüber einem Ende 41 des Steges 10 in der Gegenrichtung 39 angeordnet. Zwischen Ende 42 und Ende 41 besteht ein Versatz 43. Es ergibt sich eine addierte Höhe HH der Wickelköpfe 13 und 14, die - anders als bei 2 c2) - größer ist als die Steghöhe HW.
• Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und Verringerung des axialen Bauraums können die Wickelköpfe beispielsweise radial in Richtung Statorkern 6 gebogen und z.B. an ihm fixiert werden. Durch eine thermische Kontaktierung mit dem Statorkern 6 wird beispielsweise außerdem eine Verbesserung der Wärmeabfuhr und dadurch eine deutliche Absenkung der Wickelkopftemperatur erreicht. Eine weitere Möglichkeit der Erhöhung der mechanischen Steifigkeit besteht im Verbacken, Vergießen, Verkleben oder anderweitigem Einbetten der Wickelköpfe 11 in eine Trägersubstanz.
• Eine weitere Ausführung der elektrischen Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass der Statorkern 6 durch einen zweiten mit Permanentmagneten bestückten Rotor ersetzt wird und die Wicklung 2 frei im Luftspalt positioniert wird. Die Wickelköpfe 11 werden verbacken, verklebt, vergossen oder in eine Trägersubstanz eingebettet, um Drehmomente und Kräfte auf die feststehenden Teile der Maschine übertragen zu können. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit können zusätzlich Befestigungsringe innerhalb, außerhalb oder beidseitig der Wickelköpfe 11 angebracht werden. Die Wicklungsstege werden vorzugsweise ebenfalls verbacken, verklebt, vergossen oder in eine Trägersubstanz eingebettet, um die mechanische Stabilität zu erhöhen. Die Wicklung 2 bildet in diesem Anwendungsbeispiel einen völlig eisenfreien Stator der Maschine. Zur Erhöhung der Stabilität werden bevorzugt vollständig oder mehrfach umlaufende Wicklungslagen verwendet.
• Bezüglich des Aufbaus der Wicklungslagen 28, der Phasenanschlüsse 21, 22 und 23, der Sternpunkschiene 24, 25 und 26 sowie dem verfügbaren Sensorbauraum gelten die Ausführungen zur Wicklung des genuteten Motors entsprechend.
• Die Form des Wickelkopfes kann halbkreisförmig, dreieckförmig, gerade, U-förmig sein oder eine andere geometrische Form aufweisen, insbesondere eine solche, die eine möglichst kurze Verbindung von zwei benachbarten Wicklungsstegen derselben Phase ermöglicht. Bevorzugt bleibt im Wickelkopf der Luftspaltwicklung die Höhe der Wicklung HW erhalten, sie kann aber auch reduziert werden, um die radiale Bauhöhe des Wickelkopfpakets zu reduzieren.
• Die Wicklungsstege haben mindestens bevorzugt eine Länge, welche der Tiefe des Statorkerns entlang der Achse A1 entspricht, und üblicherweise eine möglichst geringe Überlänge, um die Isolationsfestigkeit der Wicklung sicherzustellen und/oder die Fertigung der Wickelköpfe und die Montage zu erleichtern. Die Wicklungsstege 10 liegen auf dem Statorkern 6 in tangentialer Richtung dicht gepackt, um einen hohen Füllfaktor zu erreichen. Zwei Mal NP Wicklungsstege 10 überdecken bevorzugt eine magnetische Periode.
• Analog zum genuteten Motor bildet die sequentielle Anordnung der Wicklungsstege und Wickelköpfe zusammen eine Phase einer Wellenwicklung mit einer radial alternierenden Positionierung der Wickelköpfe 11, indem in Laufrichtung vom Phasenanfang zum Phasenende gesehen, immer zwei nacheinander liegende Wickelköpfe 11 alternierend unten 13 und oben 14 ausgerichtet auf beiden Seiten des Stators liegen.
• 14 b) zeigt die axiale und radiale Ausdehnung AH bzw. HH des Wickelkopffensters 12. 12 g) zeigt ein Ausführungsbeispiel mit sieben Einzeldrähten bzw. Leitern 9. Der Statorüberstand eines jeweiligen Leiters 9 bildet einen Wickelkopf 11. Alle in 12 g) gezeigten Wickelköpfe weisen einen Abschnitt 31 mit Versatz gegenüber dem jeweils zugeordneten Steg 10 auf.
• Die Herstellung erfolgt beispielsweise aus einem Drahtbündel aus NL horizontal nebeneinander angeordneten Profildrähten durch Biegen in zwei radialen Achsen 44, um die gekrümmte Form zu erreichen, und eine anschließende Kröpfung um eine tangentiale Achse 45, welche den gebogenen Teil mindestens um die Hälfte der Wicklungssteghöhe HW nach außen (äußerer Wickelkopf 14) oder innen (innerer Wickelkopf 13) relativ zum jeweilige Wicklungssteg verformt.
• In 12 g) ist durch die Kröpfung eine Stufe 46 vorgesehen, wobei der jeweilige Abschnitt 31 in Bezug auf die Bildebene gegenüber dem entsprechenden Steg 10 nach oben versetzt ist.
• Alternativ können die Kröpfungen am inneren 13 und am äußeren Wickelkopf auch asymmetrisch aufgeteilt werden, jedoch bevorzugt so, dass immer ein Abstand von einer Wicklungssteghöhe zwischen äußerem 14 und innerem 13 Wickelkopf entsteht.
• Alle Phasen zusammen bilden die Wellenwicklung im Luftspalt. Die gesamte Wicklung kann entweder in einem Schritt gefertigt werden oder die Phasen können einzeln vorgefertigt und dann zu einer Wicklungsmatte verwoben (Wickelköpfe mit einer radial alternierenden Positionierung) oder verlegt (gekröpfte Wickelköpfe) werden. Die Wicklungsmatte kann vollständig außerhalb des Stators vorgefertigt und dann durch Kleben oder ein anderes Fügeverfahren auf den Stator aufgebracht werden oder sie kann direkt auf dem Stator gefertigt werden.
• Bezugszeichenliste

1

elektrische Maschine

2

Wellenwicklung

3

Rotoreisenrückschluss

4

Permanentmagnet

5

Luftspalt

6

Statoreisenrückschluss

7

Statorzahn

8

Statornut

9

Leiter

10

Wicklungssteg

11

Wickelkopf

12

Hohlzylinder/Bauraum Wickelköpfe

13

Wickelkopf unten

14

Wickelkopf oben

15

Phase 1

16

Phase 2

17

Phase 3

18

Phase 4

19

Phase 5

20

Phase 6

21

Phasenklemme 1

22

Phasenklemme 2

23

Phasenklemme 3

24

Sternpunktklemme 1

25

Sternpunktklemme 2

26

Sternpunktklemme 3

27

Bauraum Lagesensor

28

Wicklungslage

29

E-Maschine mit nutenlosem Stator

30

Wickelkopf gekröpft

31

Abschnitt

32

Ständer/Stator

33

Läufer/Rotor

34

Torsionsachse

35

erste Richtung

36

Ende

37

Ende

38

Versatz

39

erste Gegenrichtung

40

Stufe/Kröpfung

41

Ende

42

Ende

43

Versatz

44

Biegeachse

45

tangentiale Achse

46

Stufe

AB1

Abschnittsbreite

AB3

Abschnittsbreite

AH

Überstand/Axiale Länge Wickelkopf

AM

Winkel magnetische Periode

DH

Abstand Wickelkopf zu Stator

DS

Abstand zwischen zwei Stegen derselben Phase

H27

radiale Höhe Bauraum Lagesensor

HH

Höhe Wickelkopf

HW

Höhe Wicklungssteg

L27

tangentiale Länge Bauraum Lagesensor

LA

Länge des Abschnitts in Bezug auf die zweite Achse/tangential

NM

Anzahl Magnete

NP

Anzahl der Phasen

WH

Breite/tangentiale Länge Wickelkopf

WW

Dicke Wicklungssteg

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 2124317 A1 [0005]
• EP 1179880 A2 [0007]
• US 20060226727 A1 [0008]
• DE 10321956 A1 [0010]
• WO 03094328 A1 [0012]
• US 0309207 [0012]
• WO 2005117243 A1 [0012]
• SI 05000015 [0012]
• WO 2005050816 A2 [0014]
• CA 2004/001978 PCT [0014]
• WO /2006110498 A1 [0016]
• US 2006012914 [0016]
• EP 2695284 B1 [0017]
• US 20220021264 A1 [0018]
• DE 102011111352 B4 [0019]
• DE 102016100744 B3 [0020]
• DE 19909026 A1 [0021]
• EP 3182568 A1 [0022]
• WO 2017089455 A1 [0022]

Claims (15)

1. Wicklung (2) für eine elektrische Maschine (1, 29), insbesondere Mehrphasen-Wellenwicklung, die Wicklung (2) umfassend wenigstens einen ersten Leiter (9), der in Form mehrerer Stege (10) und mehrerer Wickelköpfe (11, 13, 14, 30) angeordnet ist, wobei die Stege (10) und Wickelköpfe (11, 13, 14, 30) entlang des ersten oder jeweiligen Leiters (9) abwechselnd aufeinanderfolgen und ein jeweiliger Wickelkopf (11, 13, 14, 30) eine Verbindung zwischen zwei Stegen (10) bildet, wobei ein erster Wickelkopf (11, 13, 14, 30) einen ersten und einen zweiten Steg (10) des ersten Leiters (9) verbindet, wobei ein zweiter Wickelkopf (11, 13, 14, 30) des ersten oder eines zweiten Leiters (9) einen dritten und einen vierten Steg (10) des ersten oder des zweiten Leiters (9) verbindet, wobei sich der erste und der zweite Wickelkopf (11, 13, 14, 30) kreuzen und der dritte Steg (10) zwischen dem ersten und dem zweiten Steg (10) angeordnet ist, wobei eine erste Achse (A1) parallel zu wenigstens dem ersten Steg (10) ist, wobei eine zweite Achse (A2) parallel zu einer Richtung einer Relativbewegung eines Läufers (33) der elektrischen Maschine (1) zu einem Ständer (32) der elektrischen Maschine (1) ist, wobei eine dritte Achse (A3) senkrecht zur ersten und zur zweiten Achse (A1, A2) ist, wobei der Leiter (9) im Bereich des ersten Wickelkopfes (11, 13, 14, 30) einen Abschnitt (31) aufweist, in dem der Leiter (9) zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse (A3) verläuft, wobei der erste Steg (10) in einer ersten Richtung (35) entlang der dritten Achse (A3) ein Ende (36) aufweist, wobei der Abschnitt (31) in der ersten Richtung (35) entlang der dritten Achse (A3) ein Ende (37) aufweist, wobei das Ende (37) des Abschnitts (31) gegenüber dem Ende (36) des ersten Steges (36) entgegen der ersten Richtung (35) versetzt angeordnet ist, und wobei der Abschnitt (31) in Bezug auf die zweite Achse (A2) den dritten Steg (10) überspannt.
2. Wicklung (2) nach Anspruch 1, wobei das Ende (37) des Abschnitts (31) gegenüber dem Ende (36) des ersten Steges (10) entgegen der ersten Richtung (35) um einen Versatz (38) versetzt angeordnet ist, wobei der Versatz (38) wenigstens 0,3, bevorzugt wenigstens 0,5, bevorzugt wenigstens 0,8, bevorzugt wenigstens 1,0, mal einer Höhe (HW) wenigstens des ersten Steges (10) in Bezug auf die dritte Achse (A3) entspricht.
3. Wicklung (2) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens der erste und der zweite Steg (10) mit einem gleichen Querschnitt ausgeführt sind und/oder in Bezug auf die dritte Achse (A3) auf gleicher Höhe und/oder an gleicher Position in einem Leiterstapel angeordnet sind, und/oder wobei der Leiter (9) im Bereich zumindest des ersten Steges (10) und/oder in dem Abschnitt (31) einen zumindest im Wesentlichen viereckigen Querschnitt aufweist und/oder wobei eine Querschnittsform des Leiters im Abschnitt (31) zumindest im Wesentlichen gleich ist wie eine Querschnittsform des Leiters (9) im Bereich zumindest des ersten Steges (10).
4. Wicklung (2) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leiter (9) im Bereich wenigstens des ersten Steges (10) eine Stegbreite (HW) in Bezug auf die dritte Achse (A3) und eine Stegbreite (WW) in Bezug auf die zweite Achse (A2) aufweist, wobei die Stegbreite (HW) in Bezug auf die dritte Achse (A3) größer ist als die Stegbreite (WW) in Bezug auf die zweite Achse (A2), wobei der Leiter (9) im Abschnitt (31) eine Abschnittsbreite (AB3) in Bezug auf die dritte Achse (A3) und eine Abschnittbreite (AB1) in Bezug auf die erste Achse (A1) aufweist, wobei die Abschnittsbreite (AB3) in Bezug auf die dritte Achse (A3) kleiner ist als die Abschnittsbreite (AB1) in Bezug auf die erste Achse (A1), insbesondere wobei die Abschnittsbreite (AB3) in Bezug auf die dritte Achse (A3) zumindest im Wesentlichen gleich der Stegbreite (WW) in Bezug auf die zweite Achse (A2) ist und/oder wobei die Abschnittsbreite (AB1) in Bezug auf die erste Achse (A1) zumindest im Wesentlichen gleich der Stegbreite (A3) in Bezug auf die dritte Achse (A3) ist.
5. Wicklung (2) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Querschnittsfläche des Leiters (9) in dem Abschnitt (31) zumindest im Wesentlichen gleich einer oder größer als eine Querschnittsfläche des Leiters (9) im Bereich des ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Steges (10) ist.
6. Wicklung (2) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Steg (10) in der ersten Richtung (35) entlang der dritten Achse (A3) ein Ende (36) aufweist, wobei das Ende (37) des Abschnitts (31) gegenüber dem Ende (36) des zweiten Steges (10) entgegen der ersten Richtung (35) versetzt angeordnet ist, insbesondere um einen gleichen Versatz (38) wie zwischen dem Ende (37) des Abschnitts (31) und dem Ende (36) des ersten Steges (10) und/oder wobei der zweite Steg (10) in der ersten Richtung (35) entlang der dritten Achse (A3) ein Ende (36) aufweist, wobei die Enden (36) des ersten und des zweiten Steges (10) in der ersten Richtung (35) auf gleicher Höhe in Bezug auf die dritte Achse (A3) angeordnet sind.
7. Wicklung (2) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abschnitt (31) eine Länge (LA) in Bezug auf die zweite Achse (A2) von wenigstens 0,2, bevorzugt wenigstens 0,4, bevorzugt wenigstens 0,6, bevorzugt wenigstens 0,8, bevorzugt etwa 1,0, mal einen Abstand (DS) zwischen dem ersten und dem zweiten Steg (10) in Bezug auf die zweite Achse (A2) aufweist und/oder wobei der Leiter (9) im Abschnitt (31) eine Abschnittsbreite (AB3) in Bezug auf die dritte Achse (A3) aufweist, die kleiner ist als eine Stegbreite (HW) des Leiters (9) im Steg (10) in Bezug auf die dritte Achse (A3), insbesondere wobei die Abschnittsbreite (AB3) in Bezug auf die dritte Achse (A3) höchstens 1,0, bevorzugt höchstens 0,8 mal, bevorzugt höchstens 0,6 mal, besonders bevorzugt höchstens oder etwa 0,5 mal, bevorzugt höchstens 0,3 mal, so groß ist wie die Stegbreite (HW) in Bezug auf die dritte Achse (A3).
8. Wicklung (2) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens der erste Steg (10) in einer der ersten Richtung (35) entgegengesetzten, ersten Gegenrichtung (39) in Bezug auf die dritte Achse (A3) ein zweites Ende (41) aufweist, wobei der Abschnitt (31) in der ersten Gegenrichtung (39) ein zweites Ende (42) aufweist, wobei das zweite Ende (41) des Steges (10) und das zweite Ende (42) des Abschnitts (31) zumindest im Wesentlichen auf gleicher Höhe in Bezug auf die dritte Achse (A3) liegen und/oder wobei der Leiter (9) im Abschnitt (31) zumindest im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse (A1) und/oder parallel zur zweiten Achse (A2) verläuft und/oder wobei die Stege (10) als Hair-Pins ausgeführt sind.
9. Wicklung (2) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leiter (9) im Bereich des zweiten Wickelkopfes (11) einen Abschnitt (31) aufweist, in dem der Leiter (9) zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse (A3) verläuft, wobei der dritte und/oder der vierte Steg (10) in einer zweiten Richtung entlang der dritten Achse (A3) ein Ende aufweist, wobei der Abschnitt (31) des zweiten Wickelkopfes (11) in der zweiten Richtung entlang der dritten Achse (A3) ein Ende aufweist, wobei das Ende des Abschnitts (31) des zweiten Wickelkopfes (11) gegenüber dem Ende des dritten und/oder vierten Steges entgegen der zweiten Richtung versetzt angeordnet ist, insbesondere wobei der Abschnitt (31) des zweiten Wickelkopfes (11) in Bezug auf die zweite Achse (A2) den ersten und/oder zweiten Steg (10) überspannt, und/oder insbesondere wobei sich der Abschnitt (31) des ersten Wickelkopfes (11) und der Abschnitt (31) des zweiten Wickelkopfes (11) überlappen und/oder insbesondere wobei der Abschnitt (31) des ersten Wickelkopfes (11) und der Abschnitt (31) des zweiten Wickelkopfes (11) parallel zueinander und/oder zu der zweiten Achse (A2) verlaufen.
10. Wicklung (2) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abschnitt (31) des ersten Wickelkopfes (11) ein erster Abschnitt (31.A) ist und wobei der Leiter (9) im Bereich des ersten Wickelkopfes (11) einen zweiten Abschnitt (31.B) aufweist, in dem der Leiter (9) zumindest im Wesentlichen senkrecht zur dritten Achse (A3) verläuft, wobei der zweite Steg (10.2) in einer zur ersten Richtung (35) entgegengesetzten, ersten Gegenrichtung (39) entlang der dritten Achse (A3) ein Ende (36.2) aufweist, wobei der zweite Abschnitt (31.B) in der ersten Gegenrichtung (39) ein Ende (37.2) in Bezug auf die dritte Achse (A3) aufweist, wobei das Ende (37.2) des zweiten Abschnitts (31.B) gegenüber dem Ende (37.2) des zweiten Steges (10.2) entlang der ersten Gegenrichtung (39) versetzt angeordnet ist, insbesondere wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt (31.A, 31.B) eine Stufe (40) im Leiter (9) vorgesehen ist.
11. Elektrische Maschine (1, 29) umfassend eine Wicklung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere wobei die elektrische Maschine (1) einen Kern aufweist und die Wicklung (2) eine Kernwicklung bildet, wobei der Kern eine Mehrzahl an Nuten (8) umfasst, in denen jeweils mindestens ein Steg (10) angeordnet ist, insbesondere wobei in jeweils einer Nut (8) mehrere Stege (10), insbesondere einer Phase (15, 16, 17), vorgesehen sind, oder wobei die elektrische Maschine (29) kernlos und/oder nutlos ausgeführt ist, insbesondere wobei mehrere Stege (10), insbesondere einer Phase (15, 16, 17), nebeneinander entlang der zweiten Achse (A2) angeordnet sind.
12. Verfahren zur Herstellung einer Wicklung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für eine elektrische Maschine (1, 29), insbesondere einer solchen nach Anspruch 11, insbesondere wobei wenigstens der erste Steg (10) und der Abschnitt (31) des ersten Wickelkopfes (11) aus einem Bauteil hergestellt werden, wobei das Bauteil umgeformt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein längliches Leitermaterial bereitgestellt wird, von dem ein Längsabschnitt für den ersten Steg (10) und ein Längsabschnitt für den Abschnitt (31) vorgesehen ist, insbesondere wobei das Leitermaterial zwischen dem Längsabschnitt für den ersten Steg (10) und dem Längsabschnitt für den Abschnitt (31), insbesondere ausgehend von einem im Wesentlich geraden Zustand des Leitermaterials, um eine erste Biegeachse (44) gebogen wird, bevorzugt um zumindest im Wesentlichen 90°, und/oder insbesondere wobei die erste Biegeachse (44) zu einer Längsachse des Leitermaterials senkrecht und/oder in Bezug auf einen in der elektrischen Maschine (1, 29) eingebauten Zustand zur dritten Achse (A3) parallel ist, und/oder insbesondere wobei das Leitermaterial zwischen dem Längsabschnitt für den ersten Steg (10) und dem Längsabschnitt für den Abschnitt (31) verdreht wird, bevorzugt um zumindest im Wesentlichen 90° und/oder wobei das Biegen und das Verdrehen zeitlich überlappend oder nacheinander erfolgen.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei ein Bauteil zur Herstellung des Abschnitts (31) massivumgeformt, insbesondere fließgepresst, wird, insbesondere wobei beim Massivumformen eine Umformkraft in einer Kraftrichtung auf den Leiterabschnitt für den Abschnitt (31) aufgebracht wird, wobei die Kraftrichtung in Bezug auf einen in der elektrischen Maschine (1, 29) eingebauten Zustand parallel zur dritten Achse (A3) und/oder entgegengerichtet zur ersten Richtung (35) ist und/oder insbesondere wobei das Massivumformen zur Herstellung des Abschnitts (31) nach dem Biegen erfolgt.
15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei wenigstens der erste Steg (10) und der erste Wickelkopf (11) aus getrennten Bauteilen zusammengefügt werden, insbesondere mittels Schweißen, Löten oder einer Pressverbindung, insbesondere wobei der zweite Steg (10) und der erste Wickelkopf (11) aus getrennten Bauteilen zusammengefügt werden, insbesondere mittels Schweißen, Löten oder einer Pressverbindung, oder insbesondere wobei der zweite Steg (10) mit dem ersten Wickelkopf (11) einteilig verbunden ist und/oder wobei der zweite Steg (10) und der erste Wickelkopf (11) aus einem Bauteil, insbesondere durch Umformen, hergestellt werden.

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