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STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft einen Ständer für elektrische
Drehfeldmaschinen mit einer Vielzahl von parallelen, radial nach
innen offenen Nuten im Ständerpaket
zur Aufnahme einer ein- oder
mehrphasigen Wicklung mit stirnseitigen Wickelköpfen.
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Derartige, beispielsweise aus der
WO 01/54254 A1 bekannte Drehfeldmaschinen werden beispielsweise
in der so genannten Flachpakettechnik hergestellt, bei der die Wicklung
in die Nuten eines linearen Ständerpakets
eingebracht wird und dieses Ständerpaket
dann zu einem ringförmigen Ständer geformt
wird. Zur Erzielung eines möglichst hohen
Leistungsvermögens
wird grundsätzlich
angestrebt, den Strangwiderstand zu reduzieren, insbesondere dadurch,
dass der Kupferanteil in den Nuten (Nutfüllfaktor) möglichst hoch gewählt wird.
Hierdurch sollen kleinere Bauweisen möglich werden, wobei hierzu
auch die Wickelköpfe
möglichst
geringe Abmessungen aufweisen sollten.
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Der erfindungsgemäße Ständer für elektrische Drehfeldmaschinen
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil eines sehr hohen
Nutfüllfaktors
bei gleichzeitig klein dimensioniertem, exakt angeordneten Wickelkopf.
Dadurch können
sehr kleinvolumige Drehfeldmaschinen realisiert werden. Durch das
den Nuten angepasste Rechteckprofil der Nutbereiche des Wicklungsdrahts
kann ein Nutfüllfaktor
größer als
70% erreicht werden. Der durchgehende Profildraht als Wicklungsdraht
benötigt
nahezu keine Schweiß-
oder Lötstellen
im Gegensatz zu Stab- oder Steckwicklungen, bei der die Wicklungen aus
vielen Einzelteilen zusammengesetzt bzw. -geschweißt werden
müssen.
Lediglich im Bereich der Endverbinder können einige wenige Schweißstellen erforderlich
sein. Durch die Gestalt der Wickelköpfe ist eine gute Kühlbarkeit
gegeben.
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In der ersten Alternative des Anspruchs
1 ist der Profildraht in seinen Wickelkopfbereichen flachgeprägt und besitzt
dort eine geringere Höhe.
Dies ermöglicht
kompakte Verbindungen im Bereich der Wickelköpfe, insbesondere durch entsprechende Prägevorgänge, die
eine optimale Leitungsführung im
Bereich der Wickelköpfe
gewährleisten.
Durch die flachere Ausbildung des Profildrahts in den Wickelkopfbereichen
kann eine besonders kompakte Wickelkopfform erreicht werden, da
sich die Wickelkopfbereiche leicht und einfach überlappen lassen.
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In der zweiten Alternative des Anspruchs
1 besitzen die Wickelkopfbereiche der einzelnen Lagen oder Phasen
das Aneinandervorbeiführen
gestattende schleifenartige Umlenkungen. Auch hierdurch lassen sich
kompakte Wickelköpfe
herstellen, wobei durch die jeweiligen Prägungen optimale Leitungsführungen
möglich
sind. Durch die flacheren Wickelkopfbereiche des Profildrahts lässt sich
ein äußerst kompakter
Wickelkopfaufbau mit einfachen und platzsparenden Überlappungen
der Wickelkopfbereiche realisieren.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Ständers
möglich.
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In einer kostengünstigen Herstellungsvariante
ist der Profildraht ein üblicher
Runddraht, der in den Nutbereichen eine rechteckförmige Profilprägung besitzt,
die beispielsweise während
des Wickelvorgangs jeweils nacheinander hergestellt wird. Alternativ
hierzu kann der Profildraht auch ein durchgehendes Rechteckprofil
besitzen, so dass Prägevorgänge vor
oder beim Wickeln nicht erforderlich sind.
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Der höhere Nutbereiche und flachere
Wickelkopfbereiche aufweisende Profildraht gemäß der ersten Variante kann
in vorteilhafter Weise auch als vorprofilierter Draht ausgebildet
sein, so dass während
des Wickelvorgangs Prägungen
weitgehend verhindert werden können,
allenfalls zur Bildung von Eckbereichen bzw. 90-Grad-Umlenkungen.
Diese rechtwinkligen Übergänge können alternativ
zur Prägung
auch durch Aufstauchung hergestellt werden. Die Formung der Wickelköpfe kann
noch dadurch optimiert werden, dass die Wickelkopfbereiche des Profildrahts
eine Kröpfung
aufweisen, die im Wesentlichen der Profildicke der Wickelkopfbereiche
des Profildrahts entspricht.
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In einer vorteilhaften Ausbildung
der Erfindung ist der Ständer
in der Flachpakettechnik ausgeführt,
wobei die fertige Wicklung in die Nuten eines linearen Ständerelements
eingesetzt und dieses Ständerelement
dann zu einem Ring geformt wird. Dies ermöglicht das Einsetzen der extern
vorgefertigten Wicklung in einem Arbeitsgang und führt dadurch
zu einer technisch einfachen, kostengünstigen Montage. Die Flachpakettechnik
ermöglicht
auch eine große
Variabilität
der verschiedenen Wicklungsverfahren und Wicklungsarten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 die
Draufsicht einer dreiphasigen Wicklung aus einem Runddraht, der
in den Nutbereichen als Rechteckprofil geprägt ist und von dem nur zwei
Lagen dargestellt sind, vor dem Einlegen in ein nicht dargestelltes
lineares Ständerpaket,
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2 eine
perspektivische Darstellung eines fertigen Ständers einer elektrischen Drehfeldmaschine
mit der Wicklung gemäß 1,
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3 eine
Wicklung aus einem Wicklungsdraht mit Rechteckprofil in einer Anordnung
und Ausführung
gemäß 1,
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4 eine
perspektivische Darstellung eines randseitigen Teilbereichs der
Wicklung gemäß 3,
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5 eine
Teildarstellung eines vorprofilierten Wicklungsdrahts mit höheren Nutbereichen
und flacheren und dafür
breiteren Wickelkopfbereichen,
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6 zwei
U-förmige
Windungen als Teildarstellung einer Wicklung aus dem vorprofilierten Draht
gemäß 5 in einer perspektivischen
Darstellung,
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7 eine
perspektivische Darstellung einer dreiphasigen Wicklung auf der
Basis der 5 und 6, von der nur eine einzige
Wickellage dargestellt ist,
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8 eine
Teildarstellung einer aus vier Lagen gemäß 7 bestehenden vollständigen Wicklung und
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9 die
vergrößerte Darstellung
einer Eckprägung
gemäß den 6 bis B.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Bei dem in den 1 und 2 dargestellten ersten
Ausführungsbeispiel
weist ein ringförmiger Ständer 9 einer
im Übrigen
nicht dargestellten elektrischen Drehfeldmaschine, beispielsweise
des Generators in einem Kraftfahrzeug, eine Ständerwicklung 10 auf.
Ein üblicherweise
geblechtes, ringförmiges Ständerpaket 11 aus
einem ferromagnetischen Material besitzt eine Vielzahl paralleler,
radial nach innen offener Nuten 12, die sich in der axialen
Richtung erstrecken und zur Aufnahme der Ständerwicklung 10 dienen.
Die jeweils axial aus einer Nut 12 austretenden und in
eine andere Nut wieder zurückge führten Wicklungsstrangbereiche
der Ständerwicklung 10 bilden
die beiden Wicklungsköpfe 13, 14 an
den beiden Stirnseiten des Ständers 9.
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Der Ständer 9 wird beispielsweise
in der im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Flachpakettechnik
hergestellt, da sich diese Technik zur Realisierung der Erfindung
am besten eignet. Hierzu wird zunächst ein lineares Ständerpaket 11 hergestellt,
das mit den parallelen Nuten 12 versehen ist. Dann wird
extern die Ständerwicklung 10 hergestellt,
wobei die Art der Wicklung sehr unterschiedlich sein kann. Es handelt
sich bevorzugt um eine Wellenwicklung, die eine einfache oder eine
verteilte Wellenwicklung sein kann, gewöhnlich eine 3-phasige Wellenwicklung.
Diese kann mehrere übereinander
angeordnete Wicklungslagen besitzen, wobei in 1 zur Vereinfachung nur zwei Lagen dargestellt
sind. Gewöhnlich
handelt es sich um vier Lagen. Die fertiggestellte Ständerwicklung 10 wird nun
im Ganzen in die Nuten 12 des Ständerpakets 11 eingesetzt,
und das Ständerpaket 11 wird
dann einschliefllich der eingelegten Ständerwicklung 10 zu
einem Ring gebogen, verschweißt
und kalibriert. Die noch offenen Verbindungsstellen der einzelnen
Wicklungsstränge
werden miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt oder
verlötet,
sofern es sich nicht um eine Umkehrwellenwicklung handelt.
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Da sich beim Biegen die Nuten radial
nach innen zunehmend verjüngen,
werden sie leicht konisch ausgebildet, damit sie nach dem Biegen
wieder parallele Seitenwandungen besitzen. Dieser Effekt kann auch
dazu benutzt werden, die Wicklung am bzw. im Ständerpaket 11 zu fixieren.
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Die Ständerwicklung 10 wird
aus einem Runddraht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung als Wickeldraht
hergestellt, wobei der Drahtquerschnitt in den Nutbereichen rechteckförmig profiliert
bzw. geprägt
wird. Die Breite dieser rechteckförmigen Nutbereiche 16 des
Wickeldrahts entspricht im Wesentlichen der Breite der Nuten 12,
wobei die Tiefe der Nuten und die Höhe des Rechteckprofils des
Wickeldrahts so aneinander angepasst sind, dass die Zahl der übereinander
liegenden Wickeldrähte
in einer Nut multipliziert mit ihrer Höhe im Wesentlichen der Tiefe
der Nut entsprechen, so dass die Nuten vollständig mit Kupfer ausgefüllt sind.
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Der Wickeldraht kann vorgeprägt sein,
das heißt,
er besitzt aufeinanderfolgende Nutbereiche 16 mit Rechteckprofil
und Wickelkopfbereiche 15 mit rundem Profil, die vor dem
Wickelvorgang vorprofiliert sind, oder die Profilierung erfolgt
während
des Wickelvorgangs, das heißt,
jeder Nutbereich des Wickeldrahts wird vor seiner entsprechenden
Positionierung bei der Herstellung der Wicklung beispielsweise durch
Prägung
mit dem Rechteckprofil versehen. Diese Positionierung und Prägung kann
in Verbindung mit einer extern hergestellten Wicklung durchgeführt werden
oder aber auch während
des direkten Bewickelns des Ständerpakets 11.
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Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ständerwicklung 10 sind
die jeweils benachbarten Wickelkopfbereiche 15 des Wickeldrahts
mit Rundprofil, die jeweils zwei Nutbereiche 16 des Wickeldrahts
mit Rechteckprofil verbinden, über
schleifenartige Umlenkungen 17 aneinander vorbeigeführt, wobei
die schleifenartigen Umlenkungen senkrecht zur Längserstreckung der Ständerwicklung 10 orientiert
sind, so dass ein Wickeldraht durch eine solche Umlenkung 17 radial
nach außen,
das heißt
in die Bildebene gemäß 1 versetzt wird, so dass
er unterhalb des benachbarten Wickeldrahts diesen kreuzend weitergeführt werden
kann. Dies führt
zu sehr kompakten und exakt angeordneten Wickelköpfen 13, 14.
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Die Ständerwicklung 10 ist
in 1 vereinfacht als
zweilagige, 3-phasige Wicklung dargestellt, während in 2 die vollständige Wicklung mit vier Lagen
erkennbar ist.
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Die in den 3 und 4 als
zweites Ausführungsbeispiel
dargestellte Ständerwicklung 18 besteht
aus einem Wicklungsdraht mit rechteckförmigem Profil, so dass eine
Profilierung während
des Wickelvorgangs nicht erforderlich ist. Im Übrigen gelten die Aussagen
zum ersten Ausführungsbeispiel
entsprechend, und auch die Anordnung und Ausbildung der Ständerwicklung 18 entspricht
der Ständerwicklung 10.
Insbesondere gelten die entsprechenden Ausführungen auch zur Dimensionierung
der Nutbereiche 20 im Hinblick auf die Dimensionierung
der Nuten 12. Die schleifenartigen Umlenkungen 21 der Wickelkopfbereiche 19 der
Ständerwicklung 18 sind ebenfalls
entsprechend ausgebildet und besitzen lediglich im Unterschied zum
ersten Ausführungsbeispiel
ein durchgehend rechteckförmiges
Profil.
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Bei dem in den 5 bis 9 dargestellten
dritten Ausführungsbeispiel
wird zur Herstellung der Ständerwicklung 22 ein
vorprofilierter Wicklungsdraht 23 verwendet, wie er in 5 in einer Teilansicht dargestellt
ist. Dieser Wicklungsdraht 23 besitzt abwechselnd Nutbereiche 25 mit
einem Rechteckprofil und Wickelkopfbereiche 24 mit einem
gegenüber
den Nutbereichen 25 abgeflachten Rechteckprofil, das jedoch
verbreitert ist, so dass die Querschnittsfläche im Wesentlichen durchgehend
konstant bleibt. Der Wicklungsdraht wird so gewickelt, dass gemäß der Teildarstellung
in 6 die rechteckförmigen Bereiche
die Nutbereiche 25 und die abgeflachten Bereiche die Wickelkopfbereiche 24 bilden,
wobei Wickelkopfbereiche 24 und Nutbereiche 25 jeweils
rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Die rechten Winkel zwischen
den Wickelkopfbereichen 24 und Nutbereichen 25 werden
beispielsweise durch Prägen
gemäß 9 hergestellt, jedoch sind auch
andere Möglichkeiten
denkbar, zum Beispiel Stauchen. Zusätzlich werden die Wickelkopfbereiche 24 mit
einer Kröpfung 26 versehen,
deren Höhe
der Höhe
des abgeflachten Profils entspricht, so dass sich gemäß 7 die einzelnen Windungen
in den Überlappungsbereichen
dicht aneinanderlegen können,
wobei insge samt eine Höhe
erreicht wird, die der Höhe
des Rechteckprofils der Nutbereiche 25 entspricht. Die
vollständige
Wicklung besteht dann beispielsweise gemäß 8 aus vier .Lagen gemäß 7, deren Gesamthöhe das Vierfache der Höhe eines
Rechteckprofils eines Nutbereichs 25 entspricht. Dies führt zu einer
sehr kompakten Anordnung der Ständerwicklung 22 und
insbesondere der entsprechenden Wickelköpfe, die infolge der rechtwinkligen
Umlenkung auch sehr dicht am Ständerpaket 11 anliegen.
Alternativ zur Verwendung eines vorprofilierten Drahts gemäß 5 kann auch ein Wicklungsdraht
mit Rundprofil oder Rechteckprofil verwendet werden, der dann während des
Wickelvorgangs Abschnitt für
Abschnitt entsprechend umgeformt bzw. profiliert wird. Die Kröpfungen
können
im gleichen Arbeitsgang oder in einem separaten Arbeitsgang geformt
werden. Auch hier ist es grundsätzlich
möglich,
anstelle der Herstellung einer fertigen Wicklung außerhalb
des Ständerpakets 11 und anschließendem Einsetzen
der kompletten Wicklung in das Ständerpaket 11 dieses
direkt zu bewickeln. Auch hier kann ein vorprofilierter Wicklungsdraht
gemäß 5 oder ein Wicklungsdraht
mit gleichmäßigem Profil
verwendet werden, der dann während
des Wickelvorgangs sukzessive umgeformt und profiliert wird.
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Anstelle der verteilten Wellenwicklung
gemäß 8 sind auch Realisierungen
durch andere Wickelschemen denkbar, zum Beispiel ineinander verschachtelte
Wellenwicklungen, einfache Wellenwicklungen, Schleifenwicklungen
und dergleichen.