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WO2023227464A1 - Wicklung, elektrische maschine und herstellungsverfahren - Google Patents

Wicklung, elektrische maschine und herstellungsverfahren Download PDF

Info

Publication number
WO2023227464A1
WO2023227464A1 PCT/EP2023/063428 EP2023063428W WO2023227464A1 WO 2023227464 A1 WO2023227464 A1 WO 2023227464A1 EP 2023063428 W EP2023063428 W EP 2023063428W WO 2023227464 A1 WO2023227464 A1 WO 2023227464A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
winding
axis
section
web
conductor
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/063428
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Kasper
Original Assignee
Roland Kasper
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Roland Kasper filed Critical Roland Kasper
Publication of WO2023227464A1 publication Critical patent/WO2023227464A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/04—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings, prior to mounting into machines
    • H02K15/0435—Wound windings
    • H02K15/0478—Wave windings, undulated windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a winding for an electrical machine, an electrical machine with a winding and the production of a winding or an electrical machine.
  • an object of the invention is a multi-phase wave winding with high packing density for electrical machines, in particular for electrical machines with high specific torque and high efficiency.
  • a multi-phase wave winding with a high packing density enables electrical machines that, in addition to a low mass and a small volume, also have a high power density and a high energy efficiency, especially for applications in a wide speed range.
  • Preferred areas of application of the invention are in the field of drives for e-mobility, e.g. electric cars, electric aircraft, electric drones, electric motorcycles, electric bicycles, electric boats and other vehicles. Further preferred areas of application include the drive of electrical machines, e.g. in power tools, machine tools, toys, industrial drives. There are a variety of other areas of application.
  • an electric machine in particular an electric motor, in particular for one of the above-mentioned areas of application, it is advantageous if the highest possible torque and the highest possible efficiency are provided in relation to the lowest possible active masses and manufacturing costs used.
  • a winding of the machine in particular a wave winding, it is desirable if it has a compact design, a good filling factor and enables largely automated production.
  • the document EP 2 124 317 A1 describes the basic structure of an electrical machine, in particular its stator with three-phase winding, which are each inserted into grooves which are arranged in the circumferential direction of the stator. Each phase is arranged in one of three pairs of adjacent slots. The portions of the winding that extend outside the slots of the stator core connect the portions in the slots.
  • the document EP 1 179 880 A2 relates to an electrical machine with a three-phase winding.
  • the document describes engines for a high speed range of approximately 2000 to 5000 rpm.
  • the document US 2006/0226727 A1 describes a stator for an electrical machine with a generally cylindrical stator core with a plurality of teeth defining a plurality of grooves.
  • the stator is designed for multi-phase winding.
  • a protruding section of the winding, which connects two parts to be inserted into the slots, has a triangular two-dimensional shape.
  • the document EP 1 381 140 A2 relates to a multi-phase winding for a rotating electrical machine. A plurality of segments of the winding are connected via winding heads. There are two types of winding heads with small and large dimensions.
  • DE10 321 956 A1 describes an electrical machine which contains a stator core which has circumferentially arranged grooves which alternate between odd and even grooves. Each groove has radial pin positions arranged in adjacent pairs to define radial layers.
  • a hair pin winding includes a first path of interconnected hair pins arranged in the stator core such that for each of the radial layers, the first path is arranged in the odd and even slots the same number of times.
  • Another possibility is a distributed winding in which all coils, or at least all coils of the same phase, are manufactured as a continuous piece that is inserted into the grooves of the ferromagnetic core.
  • the first type of distributed winding is a loop winding, such as in document WO 2005/050816 A2 (PCT/CA2004/001978). Each conductor goes around a single magnetic pole several times before moving on to the next pole.
  • the document EP 2 695 284 B1 presents a compact multi-phase wave winding for an electrical machine with high specific torque, which comprises winding layers stacked in the radial direction, the winding heads being curved in the radial direction at their beginning, in the middle and at the end, so that two adjacent, mutually parallel, straight sections of a conductor lie in approximately the same radial position.
  • the winding heads of a layer lie alternately in a tangential direction on both sides of the stator.
  • the proposal is made to create cavities through plastic deformation of the winding heads, which should enable the winding heads of different phases to be crossed easily.
  • the document US 2022/0021264 A1 presents a stator whose slots contain straight conductor pieces and whose winding heads are realized by end caps on both sides of the stator in order to reduce the manufacturing effort for the stator and winding.
  • the document DE 10 2011 111 352 B4 discloses an electric motor with an ironless air gap winding consisting of several tangentially arranged conductors in one phase, which are fixed directly on the ferromagnetic stator core, with an overlap of the winding heads occurring in such a way that in a 3-phase motor there are three winding heads lie on top of each other.
  • the document DE 102016 100 744 B3 discloses an electrical machine that combines a slot and an air gap winding in such a way that the winding webs of the air gap winding are radial are arranged above the winding webs of the slot winding, so that the magnetic field of the permanent magnets is used by both windings at the same time.
  • the document DE 199 09 026 A1 describes a method and a device for producing coils in the form of a wave winding for electrical machines.
  • a large number of winding wires are fed to the rotating mandrel of a winding device.
  • the wire on the mold core is gripped using grippers and moved in a transport direction to produce the winding heads of the wave winding, with the mold core being rotated.
  • a wave winding is created on the mold core, which is then transferred to a transport device.
  • the transport device rotates synchronously with the mold core so that the resulting wave winding can be generated continuously.
  • Windings with discrete coils have unfavorable mechanical and geometric properties and require the connection of a large number of electrical contacts when building a phase.
  • This design also has disadvantages from a geometric point of view, as the fill factors that can be achieved are limited, which in turn limits the efficiency.
  • a problem with distributed winding is the lack of space for the frequent crossings of the winding heads of adjacent coils for a larger number of turns around individual stator teeth or a group of teeth.
  • An additional problem is the rapid and non-destructive insertion of the complexly arranged conductors into the slots.
  • crossovers of the sequential winding heads which belong to adjacent phases of the winding and cross over one another very closely.
  • the individual wires are thicker and therefore not as easily deformable in the area of the winding heads.
  • the winding heads only deform into the correct shape with considerable pressure, which can cause damage to the insulation of the winding.
  • the winding head has a disadvantageous axial projection, which increases the winding head length and thus the electrical resistance.
  • Proposals for reducing the installation space by radially deflecting the conductors in the winding head area can only be implemented with very small bending radii and are therefore problematic in terms of production technology and for reasons of operational safety.
  • a curvature in the radial direction with a relatively small radius of curvature places high stress on the material during production.
  • a large bending radius leads to a large head projection and thus to an undesirably long winding head.
  • a small bending radius is required in the middle of the head to limit the radial expansion of the winding head.
  • the winding heads are stacked in the axial direction, which results in longer winding head packages, unfavorable efficiency and an increased axial installation space.
  • the pins of well-known hair-pin windings form very long winding heads for forming and welding reasons. This increases the axial installation space and increases the phase resistance of the machine. A large number of welds are required, the production of which requires a complex and complex quality-assured manufacturing process. Each individual weld increases the phase resistance and thus reduces the energy efficiency of the machine.
  • winding mats of any length with small mold cores can be formed, but relatively large winding heads are created, no specific winding head shapes are possible and the transfer of the winding mat from the mold core to the stator is a complex and complex process.
  • the current state of the art therefore does not yet offer any satisfactory solutions in the area of electrical machines.
  • the aims of the invention are to design the properties and the manufacturing process of a winding for an electrical machine in such a way that Electric machines with high performance and/or quality in terms of efficiency, torque, power and other properties can be easily constructed and manufactured cost-effectively with low mass and volume.
  • an object of the invention is to provide a compact winding, the solution preferably having as little negative effect as possible on the performance data of the machine and the winding preferably being easy to manufacture.
  • the invention comprises a winding for an electrical machine, in particular a multi-phase wave winding, the winding comprising at least one first conductor, which is arranged in the form of a plurality of webs and a plurality of winding heads, the webs and winding heads alternating one after the other along the first or respective conductor and a respective one Winding head forms a connection between two webs, with a first winding head connecting a first and a second web of the first conductor, with a second winding head of the first or a second conductor connecting a third and a fourth web of the first or second conductor, wherein the first and the second winding head cross and the third web is arranged between the first and the second web, with a first axis being parallel to at least the first web, with a second axis being parallel to a direction of a relative movement of a rotor of the electrical machine to a stator of the electrical machine, wherein a third axis is perpendicular to the first and second axes,
  • the second winding head can be guided through the area of the offset and this results in a particularly compact overall height in relation to the third axis. This is further achieved by the offset without restricting the web width and/or the height at which the web is arranged in relation to the third axis. This means that a high power density can be achieved with a compact design.
  • the offset represents a structurally simple solution so that production can be carried out easily and reliably.
  • the first, second and third axes ultimately form a coordinate system of the winding or the electrical machine.
  • the electrical machine can basically be a rotary machine or a linear machine, with the coordinate system applying accordingly.
  • the relative movement of a rotor of the electrical machine to a stator of the electrical machine takes place on a straight or more complex path that deviates from a circular shape.
  • the relative movement of the rotor to the stand takes place on a circular path.
  • the second axis in a linear machine runs along the movement path, typically straight.
  • the relative movement of the rotor to the stand runs on a circular path, and the second axis is therefore viewed as circular in the context of a rotary machine in the context of this application.
  • elements are stated to be parallel to the second axis, it is understood that in the context of a rotary machine they are concentric to the circular second axis.
  • the axes can be referred to individually or each as a path.
  • this forms a radial axis and is correspondingly dependent on the angle at which the winding or the electrical machine is viewed.
  • the end of the section is arranged offset from the end of the first web against the first direction by an offset, the offset being at least 0.3, preferably at least 0.5, preferably at least 0.8, preferably at least 1.0, times corresponds to a height of at least the first web in relation to the third axis. Installation space can be saved according to the offset.
  • a web is generally preferably cylindrical. i.e. a web generally includes a cross-section that is constant along its length.
  • the cross section can basically be round or square or have another shape. It is further advantageous with regard to the power density if at least the first and second webs are designed with the same cross section and/or are arranged at the same height and/or at the same position in a conductor stack with respect to the third axis.
  • the conductor can have an at least substantially square cross section in the area of at least the first web and/or in the section. This allows a high filling factor of the groove, which is also typically angular in cross section.
  • a square cross section, in particular of a conductor can preferably be at least substantially rectangular, in particular with side edges of the cross section of different lengths.
  • a conductor with a square cross-section can also have a rounding or a chamfer in the corner area.
  • a cross-sectional shape of the conductor in the section can be at least essentially the same as a cross-sectional shape of the conductor in the area of at least the first web.
  • a particularly compact design with a high filling factor of the groove can be achieved by a further embodiment in which the conductor in the area of at least the first web has a web width in relation to the third axis and a web width in relation to the second axis, the web width being in In relation to the third axis, it is in particular larger than the web width in relation to the second axis.
  • the web width in relation to the third axis can also be smaller than the web width in relation to the second axis, for example in the case of radially stacked webs.
  • the conductor in the section has a section width in relation to the third axis and a section width in relation to the first axis, wherein the section width in relation to the third axis is preferably smaller than the section width in relation to the first axis. It is further preferably provided that the section width in relation to the third axis is at least substantially equal to the web width in relation to the second axis and/or wherein the section width in relation to the first axis is at least substantially equal to the web width in relation to the third Axis is.
  • a further advantageous example includes that the conductor in the area of at least the first web has a rectangular cross section with a wider edge parallel to the third axis and a narrower edge parallel to the second axis, the conductor in the section has a rectangular cross section with a wider edge parallel to the first axis and a narrower edge parallel to the third axis.
  • a cross-sectional area of the conductor in the section is at least substantially equal to or larger than a cross-sectional area of the conductor in the region of the first, second, third and/or fourth web. This ensures that the electrical resistance is no greater than in the area of the web and thus high efficiency is achieved.
  • Cross-sectional area means an area dimension, for example in mm 2 .
  • the second web has an end in the first direction along the third axis, the end of the section being arranged offset from the end of the second web against the first direction, in particular by the same offset as between the end of the section and the end of the first bridge.
  • the embodiments described here which relate to only the first web and, if applicable, its spatial relationship to the first winding head, can be transferred accordingly to the second web and/or to further webs and the winding heads connected to these webs.
  • a particularly compact embodiment is characterized in that the second web has an end in the first direction along the third axis, the ends of the first and second webs being arranged at the same height in the first direction with respect to the third axis.
  • the overall height of the winding head in relation to the third axis is therefore limited in particular to the overall height of at least the first web.
  • the section preferably has a length with respect to the second axis of at least 0.2, more preferably at least 0.4, particularly preferably at least 0.6, preferably at least 0.8, preferably about 1.0, times a distance between the first and the second web in relation to the second axis.
  • a further example includes that the section of the first winding head with respect to the second axis is provided in the region of the second winding head and/or wherein the section of the first winding head is provided with respect to the second axis in an intersection region of the first and second winding heads.
  • the second winding head can extend in particular in an area starting from the section in the first direction.
  • the conductor in the section has a section width with respect to the third axis that is smaller than a web width of the conductor in the web with respect to the third axis. This allows even more installation space to be saved in relation to the third axis. It is particularly advantageous if the section width is at most 1.0, preferably at most 0.8 times, preferably at most 0.6 times, particularly preferably at most or about 0.5 times, preferably at most 0.3 times, as large as the web width .
  • the first web has a second end in a first opposite direction with respect to the third axis, the section having a second end in the first opposite direction, the second end of the web and the second end of the section is at least substantially at the same height with respect to the third axis.
  • the first web and the section in the opposite direction end at the same height and are in particular aligned. This is particularly advantageous with regard to the installation space in relation to the third axis.
  • the conductor runs in the section at least substantially perpendicular to the first axis and/or parallel to the second axis. This saves additional installation space, especially with regard to the first axis.
  • a conductor can, for example, be designed either as a solid conductor or as a bundle of strands.
  • a web is formed in particular by a conductor.
  • several webs, in particular of the same phase can be arranged grouped and/or stacked.
  • Several grouped conductors can be collectively referred to as a line.
  • a line typically forms one phase of the electrical machine.
  • One or more lines or phases can be provided.
  • the conductor in the area of the second winding head has a section in which the conductor runs at least substantially perpendicular to the third axis, in particular wherein the third and/or the fourth web extends in a second direction along the third axis End, in particular wherein the section of the second winding head has an end in the second direction along the third axis, in particular wherein the end of the section of the second winding head is arranged offset from the end of the third and / or fourth web against the second direction.
  • the section of the second winding head spans the first and/or second web with respect to the second axis.
  • the second direction can in particular be opposite to the first direction or correspond to the first opposite direction.
  • section of the first winding head and the section of the second winding head can overlap.
  • section of the first winding head and the section of the second winding head can overlap with respect to the second axis.
  • section of the first winding head and the section of the second winding head can run parallel to one another and/or to the second axis.
  • the section of the first winding head is a first section, wherein the conductor in the area of the first winding head has a second section in which the conductor runs at least substantially perpendicular to the third axis.
  • the second web can have an end along the third axis in a first opposite direction to the first direction.
  • the second section may have an end in the first opposite direction with respect to the third axis.
  • the end of the second section can be arranged offset from the end of the second web along the first opposite direction.
  • This embodiment proves to be particularly advantageous in that a second winding head - corresponding to a viewing direction with respect to the third axis - is guided over the first winding head in the area of the first section and a third winding head is guided under the first winding head in the area of the second section can.
  • This has particular advantages with regard to the production of the winding because increased flexibility in the order in which the conductors are laid on top of each other or winding heads is given. In particular, it is possible for several lines or phases of a three-phase winding to simply be placed one on top of the other and for no complicated nesting to be necessary.
  • the conductor can preferably have the same cross section in the first and second sections, in particular wherein the cross sections of the conductor in the first and second sections are arranged parallel to the third axis and/or offset with respect to the third axis.
  • the conductor comprises a step between the first and second sections, in particular with respect to the third axis.
  • a step and/or an offset can be provided between the first web and the section of the first winding head.
  • the winding can preferably be designed as a multi-phase winding and/or as a wave winding.
  • the offset according to the invention between the section of the winding head and the web proves to be particularly advantageous in these embodiments.
  • the webs can in particular be aligned parallel to one another and/or arranged evenly distributed over the circumference of a stator or rotor.
  • the invention also includes an electrical machine with a winding of the type described above.
  • the electric machine can be an electric motor and/or an electric generator, or the machine can be used as a motor and/or generator.
  • the electric machine can be a rotary machine or a linear machine.
  • the winding can be arranged on the stator or on the rotor of the electrical machine. The same may apply to one or more permanent magnets.
  • the electrical machine comprises a core.
  • the winding can be a core winding.
  • the core can comprise a plurality of grooves, in each of which, for example, at least one web can be arranged. For example, several webs, in particular one phase, can also be arranged in each groove.
  • the plurality of webs in a groove can preferably be arranged stacked along the third axis.
  • the electrical machine can also be designed to be coreless and/or grooveless.
  • the winding of this electrical machine can also be called air gap winding.
  • Several webs, in particular of one phase, can, for example, be arranged next to one another along the second axis.
  • the electrical machine can preferably be designed as a synchronous machine and/or as a permanent magnet machine, particularly preferably as a permanent magnet synchronous machine, PMSM for short.
  • the winding and the electrical machine, as described herein, can be made particularly compact, although production is particularly simple.
  • the invention also relates to a method for producing a winding of the type described above for an electrical machine, in particular an electrical machine of the type described above.
  • One embodiment of the manufacturing method includes that at least the first web and the section of the first winding head are manufactured from a component, in particular wherein the component is formed.
  • an elongated conductor material can be provided, of which a longitudinal section is provided for the first web and a longitudinal section is provided for the section.
  • a solid wire or a bundle of strands can be used as an elongated conductor material.
  • the conductor material between the longitudinal section for the first web and the longitudinal section for the section can, for example, be bent around a first bending axis, in particular starting from a substantially straight state of the conductor material.
  • the bend can preferably be at least substantially 90°.
  • the first bending axis can preferably be perpendicular to a longitudinal axis of the conductor material and/or parallel to the third axis in relation to a state installed in the electrical machine.
  • the conductor material is twisted between the longitudinal section for the first web and the longitudinal section for the section, preferably by at least substantially 90°.
  • a combination of bending and turning represents a simple possibility for flexible shaping and proves to be advantageous for the winding heads according to the invention.
  • the bending and twisting can occur overlapping in time or one after the other.
  • a component in particular the conductor material in the longitudinal section for the section, is massively formed, in particular extruded, to produce the section.
  • an advantageous method is hereby disclosed, namely a method for producing a winding for an electrical machine or for producing an electrical machine with a winding, wherein at least one first conductor in the form of a plurality of webs and a plurality of winding heads is provided for the winding, wherein the webs and winding heads alternately follow one another along the conductor and a respective winding head forms a connection between two webs, with a shaping for at least a first winding head comprising solid forming.
  • This method is particularly simple and, in particular, allows shaping essentially without changing the cross-sectional area. This is particularly advantageous because essentially no or at least only a small reduction in the conductivity of the winding head can be expected.
  • a forming force can preferably be applied to the conductor section in a direction of force for the section, the direction of force being parallel to the third axis and/or opposite to the first direction in relation to a state installed in the electrical machine.
  • the offset according to the invention can thus be produced in a particularly simple manner between the ends of the web and winding head.
  • the massive forming to produce the section can take place, for example, before and/or after bending. In principle, solid forming during bending is also possible.
  • At least the first web and the first winding head are assembled from separate components, in particular by means of welding, soldering or a press connection.
  • one end of the first web and one end of the first winding head are placed against each other on corresponding joining surfaces, which are at least substantially parallel to the first axis and then welded together at the joining surfaces.
  • the second web and the first winding head can be assembled from separate components, in particular by means of welding, soldering or a press connection.
  • one end of the second web and one end of the first winding head are placed against each other on corresponding joining surfaces, which are at least substantially parallel to the first axis and are then welded together at the joining surfaces.
  • At least one web can, for example, also be joined together with an associated winding head by means of a press connection.
  • the press connection can preferably have a conical or a cylindrical hub.
  • a press connection allows a simple and reliable connection without welding. It is also advantageous if the hub of the connection is heated before connection. This makes connecting easier.
  • the hub can basically be provided on the web or on the winding head.
  • the second web can be connected in one piece to the first winding head.
  • the second web and the first winding head can be produced from one component, in particular by forming and/or as described above with respect to the first web.
  • a winding can be assembled, for example, from completely individual webs or “I-pins” and winding heads in the manner described above.
  • a web with a winding head can be produced from a component by forming, resulting in a substantially L-shaped component or L-pin.
  • a winding head can be produced from a component together with two webs by forming, resulting in a substantially U-shaped component or U-pin. The two webs can then be joined together at their other ends, for example as described above, with another winding head.
  • a web in general, for example, can be inserted into a slot or a combination of a web and a winding head (L-pin) or two webs and a winding head (U-pin) can be inserted into the slots.
  • the joining process proceeds in particular as described.
  • the individual web or I-pin, the L-pin or the U-pin can each preferably be a formed part. These parts are preferably coated after forming but before insertion into the respective groove. Subsequently, joining with the further webs or winding heads can advantageously take place. After joining, the joining point and, if not already done, the joined winding head are preferably coated.
  • the production of the winding comprises a shaping step for shaping at least one of the winding heads, with an insulation step being carried out after the shaping step, in which an electrically insulating coating, in particular a lacquer, is applied to the winding, in particular to the at least one Winding head and / or at least one joint between winding head and web is applied.
  • an electrically insulating coating in particular a lacquer
  • the shaping step may include a forming step.
  • the forming step can include, for example, one of the forming processes described above, in particular bending and turning by preferably at least substantially 90° and/or massive forming.
  • the webs can also be reshaped.
  • the isolation step then preferably also takes place after the forming.
  • the entire winding is then preferably coated or insulated.
  • the entire winding is then preferably coated or insulated.
  • only parts of the winding i.e. web or I-pin, L-pin or U-pin, can initially be used be coated.
  • the joining points and in particular the joined winding heads are preferably coated.
  • the electric machine may include a ferromagnetic core with alternating teeth and grooves distributed, for example, circumferentially around the ferromagnetic core.
  • the winding may include one or more layers stacked around the circumference of the ferromagnetic core with respect to the third axis and/or in the radial direction and inserted into the slots. If NP represents the number of phases of the electrical machine, the winding can consist, for example, of NP or a multiple of NP conductors.
  • Each conductor can have parallel, straight segments inserted into the slots as webs and/or curved segments as winding heads, which connect the adjacent webs of a phase, in particular a direction parallel to the second axis and/or in a tangential direction.
  • NP teeth and/or NP-1 grooves can preferably be arranged between two adjacent webs of the same phase.
  • the winding heads can be arranged in relation to the third axis and/or radially stacked in a hollow cylindrical winding head window.
  • winding heads and/or a corresponding winding head window are provided at both ends of the webs with respect to the first axis.
  • the winding heads can be arranged coaxially on both sides of the core with respect to the first axis.
  • the winding heads can preferably be arranged with respect to the third axis and/or radially centered to the slots or by a maximum of twice the winding height above or below or inside or outside the circle formed by the slot centers.
  • the winding heads of three phases each, in particular at least one layer, can be radially stacked in two layers on both sides of the stator with respect to the first axis.
  • the winding heads can be arranged in a tangential direction with alternating radial winding head positions, so that an internal winding head of one phase covers a part of the two right and left outer winding heads of the other two phases and an external winding head of a phase covers a part of each both right and left inner winding heads of the other two phases are covered, which means that in a phase, viewed in the direction of travel from the beginning of the phase to the end, there are always two winding heads one after the other in one layer, aligned alternately on the inside and outside on different stator sides.
  • the winding heads can also be arranged in a tangential direction with a constant radial winding head position, so that all internal winding heads belong to one phase, all external winding heads belong to a further phase and the remaining phase exclusively winding heads with two radially offset sections and in particular an offset between the sections having.
  • the sections lie in particular on the inner and outer winding heads.
  • the winding heads can be stacked in multiples of three phases in the radial direction in one of the two defined arrangements and, for phase numbers that are not multiples of three, one or two phases can be placed in the remaining free positions in accordance with the division remainder.
  • the height of the winding head package HH of a layer consisting of all inner and outer and cranked winding heads can preferably correspond to the winding web height HW or be in the range between 50% and 200% of the winding web height HW.
  • the tangential course of the winding head can preferably run at a right angle or at an angle between 60° and 90° to the web direction.
  • the cross-sectional shape of the conductor can be circular, rectangular, or any shape.
  • the conductor can, for example, comprise one thick or several thin wires, in particular strands, or profiles.
  • the size and shape of the cross section can change along the conductor.
  • the material may be or include copper and/or another material with good electrical conductivity.
  • the conductor or layers can be manufactured partially or completely in or outside the ferromagnetic core.
  • Each phase may comprise a number NL of conductors arranged tangentially in series, where NL may preferably be greater than or equal to one.
  • a coil of each phase in one layer may include one or more conductors and the same conductor may be present in more than one layer.
  • a tangential conductor continuation direction at the radial transition of the conductor to the next layer can be made constant or can bend in the opposite direction.
  • the stator can, for example, have no grooves and/or teeth.
  • the winding can be fixed on the stator in the air gap.
  • winding webs can be arranged on the stator at a magnetic pole angle of 2*NP.
  • Phase terminals can be formed by shortening and, if necessary, radially bending and/or deforming the winding head pieces at the beginning of the phase and can thereby be arranged axially behind the winding heads.
  • a star point rail can be formed, for example, by shortening and joining the winding head pieces at the phase ends and, if necessary, radially bending and deforming the winding head piece, in particular the third phase.
  • an axial installation space with the depth of the winding head projection AH, with the height up to the magnets and/or with a width greater than a magnetic pool pair can be created, which can be used to accommodate a sensor.
  • the shape of a winding head can be semicircular, triangular, straight or U-shaped or have another geometric shape.
  • the height of the conductor HW in the winding head can be reduced in order to be able to stack the winding heads in pairs in the radial direction without requiring additional radial installation space.
  • the current-carrying cross section of the conductor can preferably not be reduced, but can be increased if necessary and/or shape changes can be carried out with continuous transitions in order to keep the phase resistance as small as possible.
  • the entire winding can be manufactured in one step, for example, or the phases are prefabricated individually, then woven or stacked to form a winding and then inserted into the slots, or the winding webs are inserted into the slots and then connected to the winding heads using joining technology .
  • the winding heads can be done, for example, by bending a solid wire or a stranded bundle with an aspect ratio greater than or equal to 2:1 in a torsion step with a 90° torsion angle about a torsion axis parallel to the web axis and/or a bending step about two radial axes by 90° each.
  • aspect ratio refers to the ratio of the lengths of the side edges of a rectangular cross-section of the conductor.
  • the winding heads can be made, for example, by bending a radially stacked solid wire stack with an aspect ratio of the individual wire less than 2:1 in a torsion step with a 90° torsion angle about a torsion axis parallel to the web axis and/or a bending step about two radial axes by 90° each.
  • winding heads and optionally the winding webs can be produced by massive forming, for example extrusion or forging, in particular of conductor profiles.
  • winding heads and winding webs can be connected, for example, by joining, such as welding or clamping, either outside the stator or preferably after inserting the winding webs into the stator.
  • the sections of the winding heads can also be designed to be at least partially stepped or offset and/or two sections can be provided on the winding head, between which a step or offset is provided.
  • the step or offset can be arranged approximately tangentially in the middle of the winding head.
  • the part of the winding head can lie in front of the step or crimping point, as in a winding head lying on top, and the part of the winding head can lie after the step or crimping point, like in a winding head lying at the bottom. This order can also be swapped.
  • the winding heads can, for example, be manufactured additively and/or connected to non-additively manufactured winding webs inside or outside the stator.
  • the winding heads and winding webs can be additively manufactured inside or outside the stator.
  • the winding heads can be manufactured by bending a wire bundle from a number of profile wires arranged horizontally next to one another, e.g. by bending in two radial axes and a bend or two closely spaced bends of +90° and -90° around a tangential axis, which the curved part of the winding head is deformed upwards or downwards relative to the winding web by at least half of the winding web height HW.
  • the winding heads can, for example, also be bent radially in the direction of the stator core and, if necessary, be contacted mechanically and/or thermally with the stator.
  • the winding head packages can, for example, also be baked, cast and/or integrated into a carrier substance.
  • the winding heads can, for example, be stacked radially in at least one layer of a slot winding and/or at least one layer of an air gap winding.
  • the winding can be designed as a self-supporting air gap winding with either radially stacked or partially cranked winding heads.
  • the winding heads can be baked, cast or embedded in a carrier substance and, if necessary, provided with radially or axially arranged support rings.
  • the winding webs can be baked, cast or embedded in a carrier substance.
  • the winding can be produced inexpensively.
  • a high packing density, a large conductor cross section and short winding heads are achieved to reduce the phase resistance and the size. This is achieved, among other things, by an alternating arrangement of the winding heads in radial layers of a winding layer.
  • the shaping and/or the connection of the winding heads to the winding webs are gentle on the material.
  • the connection can optionally be designed with a reduction in the winding head height without reducing the current-carrying cross section.
  • profile wires or profiles preferably in portrait format (aspect ratio greater than 1:1) in combination with a winding head and winding web that are geometrically, material- and production-technically adapted.
  • the conductor or conductors can be produced, for example, as a continuous mat using a forming process, for example with a high dimensional stability to simplify handling, transport and positioning for inserting the winding webs into the stator slot.
  • the conductor can also be inserted/inserted into the slot as discrete winding webs and connected to the winding heads using a joining process.
  • the invention provides a highly efficient, in particular multi-phase, winding structure with high packing density and a cost-effective and precise manufacturing method for wave windings that can replace existing solutions and open up new fields of application.
  • existing manufacturing processes for electrical machines only the manufacturing and feeding of the very easy-to-handle/transportable winding mat or an existing hair-pin manufacturing process needs to be replaced.
  • the efficiency and specific torque of electrical machines are significantly increased and manufacturing costs are reduced.
  • an increase in the efficiency of electrical machines can be achieved by reducing the phase resistance while simultaneously reducing the axial and radial installation space of electrical machines, in particular by minimizing the axial and tangential winding head length as well as the radial winding head height without reducing the current-carrying conductor cross section in combination with a very high filling factor in the slot or in the air gap, b) reducing the weight of electrical machines maximum use of the copper content and the reduction of the iron content as well as c) the reduction of the costs for electrical machines through inexpensive winding and stator production.
  • the higher efficiency, the higher specific torque and the reduced installation space can open up new fields of application, especially in the areas of e-mobility, micro-mobility and lightweight drives as well as in all areas of application in which very high efficiency in combination with low weight is required is.
  • the electrical machines with the winding according to the invention can cover a very wide speed range. Due to the low copper losses and the high torque, the machines are suitable as torque motors or wind power generators even in the very low speed range. Due to the low iron losses and high efficiency, the machines are also suitable for applications with very high speeds, for example in the field of micro drives or as generators, for example for gas turbines.
  • the figures show examples of multi-phase wave windings with high packing density of an electrical machine or “e-machine” with a high specific torque and high efficiency.
  • the machine is designed, for example, as an external rotor.
  • the embodiment shown is suitable, for example, for the direct drive of electric vehicles, electric drones and for the direct operation of generators in wind turbines, which are advantageous fields of application of the invention.
  • the invention of course also relates to the other known embodiments, designs or types of electrical machines.
  • the illustrated embodiments of the machine have a radial orientation of the magnetic field. Constructions with a different orientation of the magnetic field are also possible.
  • the versions of the electrical machine shown include permanent magnets. In principle, the invention can also be implemented in an induction machine or another type of machine.
  • the illustrated versions of the electrical machine include alternating radially magnetized permanent magnets.
  • other magnet topologies such as a Halbach array, can also be used.
  • the illustrated versions of the electrical machine include a tangentially and axially uniform and axially aligned structure of the rotor and stator.
  • Tangentially and axially inhomogeneous or axially inclined structures can also be used, e.g. the magnets or the stator slots, e.g. to reduce the cogging torque or for manufacturing reasons, can be used with an adapted winding. All grooves in the application example are drawn open for reasons of simplicity. It is obvious that they can be completely or partially closed, for example by a cover element or a specially shaped pole piece.
  • the designs of the electrical machine shown include a rotor and a stator iron yoke. However, sandwich structures with several rotor or stator iron connections can also be used, for example.
  • Constructive solutions according to the present invention can of course also be used for linear drives, in particular where the active part of the machine extends in a straight section over the length of the machine.
  • Fig. 1 shows a cut-away spatial view of the active parts of a permanently excited electric machine with a slotted stator with a wave winding with high packing density and with radially alternating winding heads.
  • Fig. 2 shows different views of the active parts of the electric machine: a) front view; b) side view; c1) Section through the side view; c2) enlarged section of c1 ; d) Detail of the front view with winding heads; e) Section through the front view a winding head window; f) Detail of the front view with phase terminals and star point rail.
  • Fig. 3 shows a perspective section of the electric machine in the area of the phase terminals and star point rail.
  • Fig. 4 shows a phase of a wave winding in different views: a) perspective view, front view, side view and top view, b) section through the front view with axial and radial extent of a winding head window.
  • Fig. 5 shows a planar mat of a wave winding with one layer in different designs: a) with phase clamps on one side, b) with phase clamps on two sides.
  • Fig. 6 shows a section of the mat from Fig. 5 a).
  • Fig. 7 shows a section of the stator with the winding inserted.
  • Fig. 8 shows a planar mat of a wave winding with three layers in different views: a) perspective view; b) Detail of the perspective view with the winding heads.
  • Fig. 9 shows a planar mat of a wave winding with winding heads with a central offset in different views: a) perspective view with phase terminals on one side, b) detail from Fig. 9 a) with the winding heads.
  • Fig. 10 shows diagrams of various stackings of the wave windings with high packing density over the circumference of the machine: a) No stacking, one rotation; b) stacking continuously; b1) two-layer; b2) three-layer; c) 2-partition, no stacking; d) 2-partition, stacking backwards; d1) two-layer; d2) three-layer; e) 3- division, no stacking; f) 3-partition, stacking in three layers; f1) continuous; f2) backwards.
  • Fig. 11 shows diagrams of the winding head arrangement of a wave winding in different versions: a) three-phase; b) four-phase; c) five-phase.
  • Fig. 12 shows examples of different winding head designs: a) spatially bent solid wire or stranded wire bundle; b) vertically stacked double wire bent; c) Profile from solid forming; d) Profile for welded joint; e) Profile for clamp connection with webs; f) Winding head cranked from solid forming; g) Winding head of an air gap winding with several parallel wires.
  • Fig. 13 shows a cut-away spatial view of the active parts of a permanently excited electric machine with a slotless stator with an embodiment of the winding as an air gap winding.
  • Fig. 14 shows sections through the active parts of the electric machine from Fig. 13: a) front view with winding head window; b) Section across the stator ring; c) enlarged section of section b).
  • the first exemplary embodiment in Fig. 1 shows an electrical machine 1 designed as a rotary machine with an outer rotor or rotor 32 and an inner stator or stator 33, it being understood that a reverse design is also possible.
  • the stator 33 is designed as a grooved stator, into which a three-phase wave winding 2 with high packing density with radially alternating winding heads is inserted, together with the other active parts of a permanently excited electric synchronous motor.
  • the magnets are magnetized in the radial direction and the magnetization takes place alternately in the tangential direction.
  • the magnetic flux generated in the permanent magnet 4 passes through the air gap 5 and is then passed through the ferromagnetic stator core 6, which is made of magnetic steel or another material with high permeability.
  • the number of teeth 7 and grooves 8 is usually the product of the number of phases NP and the number of magnets NM, but can also deviate from this.
  • the groove width is at least as large as the width of the inserted conductor pieces 9.
  • a winding 2 which consists of one or more layers 28.
  • Fig. 1 shows a winding with a layer 28.
  • the winding 2 consists of NP or a multiple of NP conductors 9, which fill the slots 8.
  • Fig. 1 shows three phases 15, 16 and 17.
  • NP is preferably three or a multiple of three.
  • NP generally preferably has a value greater than or equal to two.
  • Each conductor 9 consists of parallel straight segments, the winding webs 10, as well as angled connecting pieces, the winding heads 11.
  • the straight winding webs 10 are of the same length.
  • the axially arranged straight winding webs 10 are tangentially connected by angled winding heads 11.
  • the winding heads 11 are arranged geometrically in a hollow cylinder 12, which is indicated by dashed lines in FIG. 2 d).
  • a hollow cylinder 12 is provided coaxially on both sides of the stator core.
  • the winding heads of the three phases are radially stacked in a tangential direction, alternating in an outer and an inner layer in such a way that an internal winding head 13 covers a part of the two right and left external winding heads 14 and an external winding head 14 each covers part of the two winding heads 13 located on the right and left.
  • a coordinate system is shown in Fig. 1.
  • a first axis A1 is parallel to at least one first web 11.
  • the first axis A1 is parallel to a rotation axis of the rotary machine.
  • a second axis A2 runs parallel to a direction of a relative movement of a rotor or rotor of the electrical machine 1 to a stator or stator of the electrical machine 1.
  • the second axis A2 is perpendicular to the first axis A1.
  • a third axis A3 is perpendicular to the first axis A1 and the second axis A2.
  • the respective conductor of the phases 15, 16, 17 has a section 31 in the area of a respective winding head 11, in which the conductor runs at least essentially perpendicular to the third axis and, in the present embodiment, also parallel to the second axis A2.
  • the position and alignment of the axes basically depend on the point of the machine that is being viewed. Since the machine 1 shown here as an example is a rotary machine, the third axis A3 in particular is aligned radially. This means that, for example, with a winding head 11 other than the one provided here with the coordinate system in the drawing, the axis A3 has a different angle to the viewer of FIG. 1.
  • the axis A2 is circular - corresponding to the relative movement between barrels 32 and stand 33.
  • the coordinate system is therefore ultimately a cylindrical coordinate system. For a linear machine with a straight guideway, the coordinate system would be a Cartesian coordinate system.
  • Fig. 2 shows a) a front view and b) a side view of the electric machine 1.
  • the projection or the axial length of the winding heads AH over the stator core should be as small as possible in order to keep the axial length and the phase resistance as low as possible. This is achieved by a special course of the winding head 11.
  • a section 31 of the conductor in the area of the winding head 11 runs perpendicular to the third axis A3 or tangentially. It is preferred if the section runs perpendicularly or at an angle greater than 60° to the web direction or to the first axis.
  • FIGS. 2 c1) and c2) A cross-sectional view is shown in FIGS. 2 c1) and c2), with FIG. 2 c2) showing an enlargement of the winding heads 11, 13, 14 shown on the left in FIG. 2 c1). It can be seen how a web 10 extends across the width of the stator core. A winding head 11 is connected to the ends of the web 10 in relation to the first axis A1.
  • Fig. 2 c2 two overlapping winding heads 11, namely an upper winding head 14 and a lower winding head 13, are visible.
  • the winding head 14 connects to the web 10.
  • the winding head 13 connects two other webs with each other and intersects with the winding head 14 of the web 10.
  • the sectional plane lies in a section 31 of the winding head 13, namely a section 31 in which the conductor runs at least essentially perpendicular to the third axis A3.
  • a first direction 35 runs along the third axis A3.
  • the web 10 has an end 36 in the first direction 35.
  • the winding head 14 also has a section 31 which has an end 37 with respect to the first direction 35, which is shown in FIG. 2 c2).
  • the end 37 of the section 31 of the winding head 14 is arranged offset from the end 36 of the (first) web 10 against the first direction 35, namely by an offset 38.
  • the offset 38 in this embodiment is 0.5 times the height HW of the ( first) web in relation to the third axis A3.
  • a corresponding, mirror-inverted offset exists in the section 31 of the (second) winding head 13 with respect to the webs which this winding head 13 connects.
  • the (first) web 10 has a second end 41 in a first opposite direction 39 with respect to the third axis A3 in a first opposite direction 35.
  • the section 31 of the (first) winding head 14 has a second end 42 in the first opposite direction 39.
  • the second end 41 of the web 10 and the second end 42 of the section 31 are at least essentially at the same height with respect to the third axis A3.
  • the dimensions are referenced in the image plane, namely a section width AB1 in relation to the first axis A1 and a section width AB3 in relation to the third axis A3.
  • the section width AB3 in relation to the third axis A3 is smaller than the section width AB1 in relation to the first axis A1.
  • the section width AB3 in relation to the third axis A3 is at least essentially equal to the web width WW, see Fig. 2 e)
  • the section width AB1 in relation to the first axis A1 is at least essentially equal to the web width HW with respect to the third axis A3.
  • This can be achieved, for example, in a particularly simple manner by massively forming the conductor material, in particular starting from the cross section present in the web. The introduction of a forming force could take place at least essentially parallel to the third axis A3.
  • the winding heads 11 are extremely compact. Firstly, the radial height HH of the winding head row is only as large as the web height HW. Secondly, the axial length AH of the winding heads 11 is also extremely short, and is simple to manufacture.
  • a width or tangential length of the winding head WH, see FIG. 2 d), is smaller than 75% of a magnetic period in this exemplary embodiment.
  • a height of the winding head package HH, see also Fig. 2 d), consisting of inner winding heads 13 and outer winding heads 14, advantageously corresponds to the winding web height HW, see for example Fig. 2 c1) and c2), but can also be in the range between 50% and 200% of the winding web height HW.
  • Fig. 2 e) shows a section through the front view of the stator with an installation space 12 of the winding heads.
  • the installation space 12 is ideally centered radially to the slots 8, but can also be, for example, a maximum of twice the winding web height HWinner or outside the circle formed by the slot centers.
  • a length LA of a section 31 A of a first winding head 11.1 is marked.
  • the conductor in the area of section 31.A runs perpendicular to the third axis A3 and parallel to the second axis A2.
  • the length LA forms a length of the section 31. A with respect to the second axis A2 or in the tangential direction.
  • axis A2 is circular, since the electrical machine shown here as an example is a rotary machine and since the relative movement of the rotor 32 to the stator 33 is correspondingly circular.
  • a distance between two webs 10 of the same phase, which are therefore connected via a winding head, not shown here, is designated DS.
  • the length LA of the section 31. A, see FIG. 2 d), in particular of each section 31, is preferably at least 0.2, preferably at least 0.4, more preferably 0.6 times DS.
  • a second winding head is designated 11.2.
  • the second winding head 11.2 is one of a different phase than that of the winding head 11.1.
  • the second winding head 11.2 also has a section 31. B in which the conductor runs at least substantially perpendicular to the third axis A3.
  • the axis A3 in a rotary machine as shown here is radial. Depending on at what angle or at what position along axis A2 the winding is viewed, axis A3 has a different angle to the observer than that shown in Fig. 2 d).
  • section 31.A of the first winding head 11.1 and the section 31.B of the second winding head 11.2 are arranged in an overlapping manner and overlap with respect to the second axis A2.
  • section 31 runs.
  • the sections 31. A and 31. B are offset in relation to the third axis A3, in particular in such a way that they are in relation do not overlap on the third axis A3.
  • phase terminals 21, 22 and 23 are visible. These can be produced, for example, by shortening and, if necessary, radially bending and deforming the winding head pieces at the beginning of the phase.
  • a star point rail is created by shortening the winding head pieces at the phase ends 24, 25 and 26, if necessary radially bending and deforming the winding head piece 26 and contacting the winding head pieces or phases.
  • the phase terminals 21, 22 and 23 are preferably arranged axially behind the winding heads, so that they do not require any additional axial installation space and are easy to contact.
  • the star point rail which is formed from the shortened last winding heads 24, 25 and 26 and is contacted using a usual joining process, for example welding, is located in the area of the winding heads and therefore also takes up little or no additional installation space.
  • Fig. 2 f) shows a possible embodiment.
  • an axial installation space 27 is created, highlighted here with a tangential length L27 and a radial height H27, which can be used, for example, to accommodate a position sensor.
  • the available installation space 27 extends with L27 in the tangential direction over more than one magnetic period AM and is therefore sufficiently large for magnetic field measurements to determine the rotor position.
  • the axial depth corresponds to the winding head projection AH.
  • the radial height H27 extends up to the magnet 4.
  • a sensor for example a position sensor, can thus be integrated without taking up additional installation space. If some of the terminals mentioned are not bent, the installation space is correspondingly reduced in the tangential and/or radial direction.
  • a perspective section through the active motor parts in Fig. 3 shows the area of the phase terminals and the star point rail.
  • the shape of a winding head 11 can basically be semicircular, triangular, straight or U-shaped or can have another geometric shape, in particular one that enables the shortest possible connection of two adjacent winding webs of the same phase.
  • the height of the conductor HW in the winding head 11, see FIGS. 2 c1) and c2), is preferably reduced in order to be able to stack the winding heads 11 in pairs in the radial direction without requiring additional radial installation space.
  • the current-carrying cross section is preferably not reduced or, if necessary, increased in order to keep the phase resistance as small as possible. Changes in shape are carried out with constant transitions so as not to impede the flow of current.
  • the winding webs 10 preferably have at least a length which corresponds to the depth of the stator core along the first axis A1, usually the smallest possible excess length DH - see Fig. 4 b) - in order to ensure the insulation strength of the winding and / or the production of the winding heads and to make assembly easier. Additional insulation of the stator sides, e.g. through a coating or a cover disk, enables very small excess lengths DH.
  • FIG. 4 a shows different views of a phase or a conductor with radially alternating winding heads.
  • the side view (top horizontal) illustrates the radial positioning of the winding heads, according to which, viewed in the direction of travel from the beginning of the phase to the end, there are always two winding heads lying one after the other at the bottom (corresponds to winding head 13) or at the top (corresponding to winding head 14), aligned alternately on different stator sides.
  • 4 b) shows a section through the front view of a phase, the radial position of the lower winding heads 13 and upper winding heads 14 as well as the axial and radial extent of the winding head window 12.
  • a phase can be made from one or more solid wires or profiles of any cross-section or from a bundle of strands of any cross-section.
  • the entire winding can be manufactured either in one step inside or outside the stator, or the phases 15, 16 and 17 can be prefabricated individually, then woven into a winding and then inserted into the slots, or
  • the winding webs 10 are inserted into the slots 8 and then connected to the winding heads 11 by joining.
  • the winding webs 10 are located in the stator slots 8 and fill them as completely as possible.
  • Each winding head 11 runs tangentially over part of the magnetic period.
  • Fig. 5 shows two versions of a winding mat with radially alternating winding heads, namely in Fig. 5 a) an embodiment with all phase terminals on one side of the mat and in Fig. 5 b) with phase terminals on both sides of the mat.
  • Arrangement a) has the advantage that the phase connections are easier to contact because they are spatially close to one another on the same side.
  • Arrangement b) has the advantage that a gap-free mat is created that is easier to handle.
  • Fig. 5 shows the dense structure of the winding head package, in which the winding heads of the three phases are arranged in two radially stacked layers without gaps.
  • Fig. 6 shows a section of the winding mat consisting of three phases 15, 16 and 17 with winding heads alternating at the bottom 13 and at the top 14.
  • the winding 2 is in a state before being inserted into the stator slots 8. Specifically, the mat is essentially spread out flat. In this state, axis A2 is straight. In the orientation shown, the winding 2 or mat could also be used in a linear motor, for example.
  • Fig. 7 shows a winding 2 comprising the phases 15, 16 and 17 with winding heads alternating at the bottom 13 and at the top 14, which is inserted into the stator slots 8.
  • the compact multi-phase wave winding 2 can consist of more than one layer 28.
  • Fig. 8 shows an exemplary embodiment of the structure of a winding mat consisting of three layers 28.1, 28.2 and 28.3.
  • the height of the winding heads is ideally matched to the height of the winding layer, so that any number of layers can be stacked radially without collision, without taking up additional radial installation space. However, it is also possible to use higher or lower winding heads, which increases the height of the winding head package.
  • Fig. 8 shows three stacked individual mats with radially alternating winding heads. A longer winding mat can also be made and then stacked and inserted onto the stator.
  • the winding mat from FIG. 8 can, for example, simply be a stack of three winding mats according to FIG. 5 a) or b
  • Fig. 9 a shows a further embodiment of a winding mat with a layer consisting of three phases.
  • the first phase 15 only has lower winding heads 13 here. All winding heads of the third phase 17 are upper winding heads 14.
  • the second phase 16 has cranked winding heads 30, which proportionately occupy the lower and upper part of the winding head window or the lower and upper layers.
  • This form of wave winding with cranked winding heads 30 also enables the three phases to be stacked in an optimal space.
  • Fig. 9 b) shows a section with the winding heads 13, 30, 14. The advantage of this arrangement is that the three phases only have to be stacked radially one after the other in order to produce a winding mat.
  • the position of the webs and the winding head window corresponds to the wave winding with radially alternating winding heads, as described above, so that winding mats of both designs can be used equally and even mixed.
  • the layers 28 can be stacked one above the other on the stator, basically over the entire circumference of the machine in the radial direction or only on individual segments of the stator or in a combination, as shown as an example in FIG. 10.
  • the radial transition between the individual layers 28 can take place in such a way that the sequence of winding webs 10 and winding heads 11 runs in the same or in the opposite tangential direction.
  • the layers 28 can also be intertwined.
  • the split configurations allow the voltage level to be lowered by connecting the split segments in parallel.
  • phase number NP is preferably equal to three or a multiple of three, since in this case a particularly high packing density of the winding heads can be achieved.
  • Fig. 11 shows examples of an arrangement scheme with radially alternating winding heads for a) three phases, b) four phases and c) five phases.
  • the winding head arrangements at the beginning of a phase can be chosen arbitrarily as long as the alternating order is maintained. With three phases, there is a very compact winding head arrangement in two layers, each in one level of lower level E1 and upper level E2 without gaps. By radially stacking the winding heads of three-phase arrangements, compact six-, nine-, etc. - phase arrangements can be created. The winding head height of the three-phase arrangement used must be halved, divided into thirds, etc. if the radial installation space is to be maintained. Phase numbers NP that are not a multiple of three can be represented as shown in Fig. 11 b) using the example of four phases and Fig. 11 c) using the example of five phases.
  • a four-phase winding is created, for example, from a tightly packed three-phase winding and an additional fourth phase inserted into the remaining free space.
  • a total of three layers are occupied by the winding heads, each in a level of lower level E1, middle level E2 and upper level E3.
  • a five-phase winding is created, for example, from a tightly packed three-phase winding and two additional fourth and fifth phases inserted sequentially into the two free spaces.
  • a total of four layers are occupied by the winding heads, each in a level of the lowest level E1, second level E2, third level E3 and top level E4. Due to the individual phases, the winding head package has gaps in the tangential direction and therefore requires additional installation space compared to a three-, six- or nine-phase arrangement.
  • the winding 2 consists of conductors 9, the cross section of which can be circular, rectangular, trapezoidal or another cross section, whereby a conductor 9 can consist of many thin wires or a solid wire or profile.
  • the size and shape of the cross section can change along the conductor. Copper or another material with good electrical conductivity can be used.
  • Adapting the conductor cross section to the slot geometry enables a high fill factor.
  • the high fill factor enables good thermal contacts and lower electrical resistance.
  • the height HW and width WW of the conductor 9 represent the conductor dimensions in radial and tangential dimensions. With a circular or square cross section, the width and height are identical.
  • Each phase can consist of any number NL of conductors tangential order, whereby one is preferred for slot windings for NL.
  • a winding described herein can be produced by different methods and from different semi-finished products, which in turn have an impact on the possible winding head and winding web designs. Examples of these manufacturing processes are: a) Bending and/or twisting, in particular in several axes b) Joining c) Mass forming d) Additive manufacturing
  • the production of the winding can involve bending a solid wire or a stranded bundle in several axes, for example according to FIG. 12 a).
  • the bending of a solid wire or a stranded bundle is preferably carried out in two forming steps in order to limit the stress on the material.
  • the tangential section 31 of the winding head 11 is formed in a torsion step with a 90° torsion angle about a torsion axis, item 34 in FIG. 12 a), parallel to the web axis.
  • a bending step about two radial axes, item 44 in Fig. 12 a) two bends of 90 ° are carried out in order to represent a curved shape of the winding head 11.
  • the winding head 11 then has the height of the web width.
  • an aspect ratio of the web of 2:1 provides a winding head package at the height of the winding web HW and thus a very compact arrangement.
  • the minimum bending radius is preferably limited to 3 to 4 times the wire width WW, which results in an axial winding head length of, for example, 4*WW+HW+DH. With an aspect ratio of 2:1 this results in 6*WW+DH.
  • the cross section of the winding web is determined by the cross section of the solid wire or stranded bundle used.
  • Fig. 12 a) shows an exemplary embodiment of a winding head made of spatially bent solid wire. A bundle of strands is characterized, for example, by the fact that it does not consist exclusively of vertically stacked wires.
  • a phase is created when several alternating winding heads and winding webs made of solid wire or a stranded bundle are bent sequentially. Three phases can then be woven into a winding mat.
  • the winding heads of all three phases are preferably made from three solid wires or stranded bundles in one step and the Winding mat is built up directly during bending.
  • the shape and order of the winding heads result from the arrangement in Fig. 12 a) and/or Fig. 11.
  • the production can also include bending a solid wire in several axes, in particular a conductor with a radially offset section 31 and a conductor without a radial offset can be combined, as shown in Fig. 12 b).
  • a solid wire with a high aspect ratio or the fill factor deterioration of the stranded bundle for example two or more radially stacked solid wires, preferably with a square cross section, can be used.
  • the bends remain in the same manner and order as with a solid wire/stranded bundle, but are simplified due to the significantly lower resistance moments of the thinner solid wires.
  • the axial combined winding head length is, for example, 5*WW+DH.
  • the cross section of the winding web is determined by the cross section of the wire used.
  • Fig. 12 b) shows an embodiment with two conductors with radially stacked and bent square solid wires. More than two wires can also be stacked with adjusted wire heights to further reduce the section modulus of the wires. When several alternating winding heads are bent sequentially, a phase is created. Three phases can then be woven into a winding mat. The winding heads of all three phases are preferably made from three stacked solid wire pairs in one step and the winding mat is built up during bending. The shape and order of the winding heads result from the arrangement in Fig. 12 b) and/or Fig. 11.
  • a wide range of freedom in shaping the winding head and/or winding web is achieved by massive forming, for example extrusion or forging, of the winding heads.
  • massive forming for example extrusion or forging
  • the favorable flow properties of copper are used to create an ideal winding head geometry, without being limited by bending radii.
  • Due to the high flexibility during forming axially very short winding heads can be produced and the cross-sectional changes can be continuously shaped.
  • the axial winding head length can be shortened, for example, to 3*WW+DH, for example with an aspect ratio of 2:1.
  • the winding web can also be adapted, for example, to a trapezoidal shape or another desired geometry, for example by massively forming the winding web or by selecting a semi-finished product with a suitable geometry, whereby the fill factor can be significantly increased, especially with a smaller stator diameter.
  • the cross sections used in the winding web and winding head are independently selectable.
  • the starting material is, for example, bare copper or another material with high electrical conductivity such as wire, profile or other semi-finished product.
  • the insulation is applied after the phase/winding has been completed, for example by painting.
  • Fig. 12 c shows an exemplary embodiment of a massively formed winding head.
  • a phase is created.
  • Three phases can then be woven into a winding mat.
  • the winding heads of all three phases are preferably manufactured from three profiles in one step and the winding mat is built up during massive forming.
  • the shape and order of the winding heads result from the arrangement in Fig. 12 c) and Fig. 11.
  • the winding head 11 shown in FIG. 12 c) can be formed from a solid wire with a substantially rectangular cross section by first bending the wire into a U-shape so that webs 10 are aligned parallel. Mass forming can then take place in such a way that the area between the parallel webs 10 is essentially pressed flat. This creates a cross section with essentially the same cross-sectional area as in the area of the webs 10, the height in this exemplary embodiment being essentially halved and the width being essentially doubled.
  • the cross-sectional shape essentially corresponds to that of the webs 10, but is rotated by 90°.
  • a first direction 35, an end 36 of the web 10 in the first direction 35 and an end 37 of the section 31 in the first direction 35 are also indicated. There is an offset 38 between the end 36 and the end 37.
  • winding heads and webs are each conical.
  • cylindrical joining surfaces are also possible.
  • winding heads it is possible to insert winding webs with a geometrically adapted cross-section and insulated, for example painted, into the slots, which in this case can also be partially or completely closed.
  • the winding heads can be prefabricated using forming technology, for example by punching or by a cutting process, for example by laser cutting, or other manufacturing processes.
  • the joining process between winding web 10 and winding head 11 is carried out, for example, by welding, clamping, riveting, extrusion, another joining method or a combination of these methods.
  • the joint must be subsequently insulated.
  • the cross sections used in the winding web and winding head can be selected independently. Due to the compact At the joint, very short winding heads can be produced axially.
  • the axial winding head length can be shortened to 3*WW+DH with a selected distance of WW between stator and winding head, especially with an aspect ratio of 2:1. Depending on the joining method chosen, a slight increase in the contact resistance between the winding web and the winding head can be expected.
  • Fig. 12 d shows an exemplary embodiment of a winding head for a welded connection, in which the winding web is butt-joined to the winding head, for example by plasma welding.
  • a first web (not shown in FIG. 12 d) and the winding head 11 are assembled from separate components, with one end of the first web and one end of the winding head 11 on corresponding joining surfaces (the joining surface of the winding head 11 is in Fig
  • the Winding head 11 are assembled from separate components, with one end of the second web and one end of the winding head 11 being placed against each other on corresponding joining surfaces, which are at least substantially perpendicular to the first axis A1, and then welded together at the joining surfaces.
  • Fig. 12 e shows an exemplary embodiment of a winding head and a suitable winding web for a clamp connection.
  • the shape of the joint can, for example, be slightly conical, as in Fig. 12 e), or take on another geometric shape. Alternating concave and convex elevations or depressions on the surface of both joining partners improve the mechanical and electrical connection.
  • the order of the winding heads results, for example, from the arrangement in Fig. 11.
  • FIG. 12 f shows an exemplary embodiment of a winding head 11, which has a first section 31.1 with an offset 38.1, as described with reference to FIG. 12 c), relative to a first web 10.1.
  • a second section 31.2 is also provided, in which the conductor runs at least essentially perpendicular to the third axis A3.
  • the second web 10.2 has an end 36.2 in a first opposite direction 39 along the third axis A3, opposite the first direction 35.
  • the second section 31.2 has an end 37.2 in the first opposite direction 39 in relation to the third axis A3.
  • the end 37.2 of the second section 31.2 is opposite the end 36.2 of the second web 10.2 arranged offset along the first opposite direction 39, namely by an offset 38.2.
  • the first section 31.1 and the second section 31.2 are thus ultimately designed to be mirror-inverted.
  • a step or offset 40 is provided between the first section 31.1 and the second section 31.2.
  • such cranked winding heads can be used.
  • the offset 40 lies approximately in the middle of the tangentially extending section of the winding head, so that the part of the winding head lies in front of the offset point, as in the case of an overhead winding head 14, and the part of the winding head lies after the offset point, as in the case of an underlying winding head 13. This order can also be swapped.
  • the winding head 30 of FIG. 9 b) can advantageously be designed according to FIG. 12 f). All winding head designs shown in FIG. 12 can basically be designed in a cranked form.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 12 f) can, for example, be produced similarly to that of FIG. 12 c), in particular by massive forming and preferably with prior bending of an elongated starting material.
  • the cross section of the elongated starting material is preferably rectangular, in particular with different aspect ratios and / or an aspect ratio of 2: 1. It is also advantageous if the cross section remains in the area of the webs 10, i.e. H. the cross section of the webs 10 corresponds to that of the starting material. It is therefore only necessary to deform the cross section in the area of the winding head 11.
  • additive manufacturing of the winding heads and/or winding webs is also possible.
  • Additive manufacturing processes offer a very high level of flexibility in both the shape and design of the winding. Similar to joining, insulated winding webs 10 can be inserted or inserted into the open or closed slots, after which the winding heads 11 are additively manufactured as a connection between two adjacent winding webs 10 of a phase and, in particular, contacted at the same time. In this case, only the winding heads 10 need to be re-insulated. Similar to solid forming the individual phases 15, 16 and 17 or the entire winding 2, consisting of winding webs 10 and winding heads 11, are manufactured additively, either outside the stator 6 as a prefabricated winding mat or directly in the slots 8 of the stator as an integrated winding.
  • insulation can be carried out in a separate step.
  • insulation is part of additive manufacturing.
  • the axial winding head length can be shortened, for example, to 3*WW+DH, especially with an aspect ratio of 2:1.
  • All winding head geometries listed in FIG. 12 can be produced using additive manufacturing. The order of the winding heads results, for example, from the arrangement in Fig. 11.
  • FIG. 13 shows an electrical machine 29 with a slotless stator, on which a three-phase wave winding with high packing density 2 is applied as an air gap winding with radially alternating winding heads, together with the other active parts of a permanently excited electric synchronous motor.
  • This machine 29 has an even number NM of permanent magnets 4 on the rotor iron 3.
  • the magnets 4 are magnetized in the radial direction and the magnetization takes place alternately in the tangential direction.
  • the magnetic flux After passing through the air gap 5 and the wave winding 2 lying in the air gap, the magnetic flux is guided through the ferromagnetic stator core 6, which consists of magnetic steel or another material with high permeability.
  • the stator has no grooves or teeth, which means it is very low and easy to implement and, due to its design, avoids cogging torque.
  • a winding 2 which can consist of one or more layers 28, for example with stacking similar to Fig. 8.
  • Fig. 13 shows the winding with a layer 28.
  • the winding 2 can be NP or a multiple of NP conductors 9, which lie directly in the air gap, where NP represents the number of phases.
  • NP is preferably three or a multiple of three or any value greater than or equal to two.
  • Each phase here comprises several adjacent, parallel, straight segments, the winding webs 10, as well as angled connecting pieces, the winding heads 11.
  • the straight winding webs 10 are of the same length. To reduce eddy currents, each phase is divided into NL individual wires.
  • the number NL of individual wires results from the speed range in which the machine is operated and the cross section of the individual wires.
  • the individual wires can have a round, preferably a rectangular, generally any cross-section.
  • the axially arranged, straight winding webs 10 are tangentially connected by angled winding heads 11, which are arranged in particular geometrically in a hollow cylinder or winding head window, which lie coaxially on both sides of the stator core.
  • the winding heads of the three phases lie radially stacked in a tangential direction, alternating on an outer and an inner layer in such a way that an internal winding head 13 covers and covers a part of the two winding heads 14 on the right and left External winding head 14 covers part of the two winding heads 13 on the right and left.
  • Fig. 14 a) shows a detail from the front view of the electric machine 29 with the winding head window 12.
  • Fig. 14 b shows a section through the active parts of the slotless electric machine 29.
  • the projection of the winding heads AH over the stator core should be as small as possible in order to keep the axial length and the phase resistance as low as possible. This is achieved by a tangential course of the winding head at right angles or at an angle greater than 60° to the web direction.
  • the width of the winding head WH is preferably smaller than 75% of a magnetic period.
  • the height of the winding head package HH, see FIG. 14 c), is preferably in the range between 50% and 200% of the winding web height HW.
  • the radial position of the winding head package can be aligned centrally to the winding web as in FIG. 13 b) or, for example, can be shifted radially downwards or upwards by a maximum of two winding web heights HW.
  • a respective conductor in the area of the (first) winding head 13 has a section 31 in which the conductor runs at least essentially perpendicular to the third axis A3 and here also perpendicular to the first axis A1.
  • the (first) web 10 has an end 36 in a first direction 35 along the third axis A3.
  • the section 31 of the winding head 13 has an end 37 in the first direction 35 along the third axis A3.
  • the end 37 of the section 31 of the winding head 13 is arranged offset from the end 36 of the first web 10 against the first direction 35.
  • An end 42 of the section 31 of the first winding head 13 in a first opposite direction 39 opposite the first direction 35 is offset from an end 41 of the web 10 in the opposite direction 39.
  • the winding heads can, for example, be bent radially in the direction of the stator core 6 and, for example, fixed to it. By making thermal contact with the stator core 6, for example, an improvement in heat dissipation and thereby a significant reduction in the winding head temperature is achieved.
  • Another possibility for increasing the mechanical rigidity is to bake, cast, glue or otherwise embed the winding heads 11 in a carrier substance.
  • a further embodiment of the electrical machine is characterized in that the stator core 6 is replaced by a second rotor equipped with permanent magnets and the winding 2 is positioned freely in the air gap.
  • the winding heads 11 are baked, glued, cast or embedded in a carrier substance in order to be able to transmit torque and forces to the stationary parts of the machine.
  • additional fastening rings can be attached inside, outside or on both sides of the winding heads 11.
  • the winding webs are preferably also baked, glued, cast or embedded in a carrier substance in order to increase the mechanical stability.
  • the winding 2 forms a completely iron-free stator of the machine.
  • completely or multiple wrapping layers are preferably used.
  • the shape of the winding head can be semicircular, triangular, straight, U-shaped or have another geometric shape, in particular one that enables the shortest possible connection of two adjacent winding webs of the same phase.
  • the height of the winding HW is preferably retained in the winding head of the air gap winding, but it can also be reduced in order to reduce the radial height of the winding head package.
  • the winding webs at least preferably have a length which corresponds to the depth of the stator core along the axis A1, and usually the smallest possible excess length in order to ensure the insulation strength of the winding and/or to facilitate the production of the winding heads and assembly.
  • the winding webs 10 are tightly packed on the stator core 6 in a tangential direction in order to achieve a high filling factor.
  • Two NP winding webs 10 preferably cover one magnetic period.
  • the sequential arrangement of the winding webs and winding heads together forms a phase of a wave winding with a radially alternating positioning of the winding heads 11, in that, viewed in the running direction from the beginning of the phase to the end of the phase, there are always two winding heads 11 lying one after the other, alternating at the bottom 13 and at the top 14 aligned on both sides of the stator.
  • Fig. 14 b) shows the axial and radial extent AH and HH of the winding head window 12.
  • Fig. 12 g) shows an exemplary embodiment with seven individual wires or conductors 9. The stator protrusion of a respective conductor 9 forms a winding head 11. All in Fig. 12 g) shown winding heads have a section 31 with an offset from the respectively assigned web 10.
  • the production takes place, for example, from a wire bundle of NL profile wires arranged horizontally next to one another by bending in two radial axes 44 in order to achieve the curved shape, and a subsequent bending around a tangential axis 45, which adjusts the curved part by at least half of the winding web height HW outside (outer winding head 14) or inside (inner winding head 13) deformed relative to the respective winding web.
  • a step 46 is provided by the offset, with the respective section 31 being offset upwards in relation to the image plane compared to the corresponding web 10.
  • cranks on the inner 13 and on the outer winding head can also be divided asymmetrically, but preferably in such a way that there is always a distance of one winding web height between the outer 14 and inner 13 winding head.
  • the entire winding can either be manufactured in one step or the phases can be prefabricated individually and then woven into a winding mat (winding heads with radially alternating positioning) or laid (offset winding heads).
  • the winding mat can be completely prefabricated outside the stator and then applied to the stator by gluing or another joining method, or it can be manufactured directly on the stator.

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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

Wicklung, elektrische Maschine und Herstellungsverfahren
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 Fahrzeuge. 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 LAGT 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/SI 05/000015) 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 zürn 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 10 2011 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 102016 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 Wickel köpfe 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 Wesentlichen 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 einerweitere 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 elektrische 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 Wesentlichen 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. Bevorzugt werden dabei ein Ende des ersten Stegs und ein Ende des ersten Wickelkopfs an korrespondierenden Fügeflächen aneinander angelegt, welche zumindest im Wesentlichen parallel zur ersten Achse sind und anschließend an den Fügeflächen miteinander verschweißt.
Der zweite Steg und der erste Wickelkopf können aus getrennten Bauteilen zusammengefügt werden, insbesondere mittels Schweißen, Löten oder einer Pressverbindung. Bevorzugt werden dabei ein Ende des zweiten Stegs und ein Ende des ersten Wickelkopfs an korrespondierenden Fügeflächen aneinander angelegt, welche zumindest im Wesentlichen parallel zur ersten Achse sind und anschließend an den Fügeflächen miteinander verschweißt werden.
Wenigstens ein Steg kann beispielsweise auch mit einem zugeordneten Wickelkopf mittels einer Pressverbindung zusammengefügt werden. Die Pressverbindung kann bevorzugt eine konische oder eine zylindrische Nabe aufweisen. Eine Pressverbindung erlaubt eine einfache und zuverlässige Verbindung ohne Schweißen. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Nabe der Verbindung vor dem Verbinden erwärmt wird. Dies erleichtert das Verbinden. Die Nabe kann grundsätzlich am Steg oder am Wickelkopf vorgesehen sein.
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.
Grundsätzlich kann eine Wicklung beispielsweise aus vollständig einzelnen Stegen oder „I- Pins“ und Wickelköpfen auf die vorstehend beschriebene Weisen zusammengefügt werden. Alternativ kann beispielsweise ein Steg mit einem Wickelkopf aus einem Bauteil durch Umformen hergestellt werden, es ergibt sich somit ein im Wesentlichen L-förmiges Bauteil oder L-Pin. Weiter alternativ kann beispielsweise aus einem Bauteil ein Wickelkopf zusammen mit zwei Stegen durch Umformen hergestellt werden, es ergibt sich ein im Wesentlichen U- förmiges Bauteil oder U-Pin. Die beiden Stege können dann an ihren jeweils anderen Enden, z.B. wie vorstehend beschrieben mit einem weiteren Wickelkopf zusammengefügt werden.
Allgemein kann beispielsweise ein Steg (I-Pin) in eine Nut eingeführt werden oder es kann eine Kombination aus einem Steg und einem Wickelkopf (L-Pin) oder aus zwei Stegen und einem Wickelkopf (U-Pin) in die Nuten einführt werden. Der Fügeprozess verläuft insbesondere wie beschrieben. Der einzelne Steg oder I-Pin, der L-Pin oder der U-Pin können jeweils bevorzugt ein Umformteil sein. Diese Teile werden bevorzugt nach dem Umformen aber vor dem Einführen in die jeweilige Nut beschichtet. Anschließend kann vorteilhafterweise das Fügen mit den weiteren Stegen bzw. Wickelköpfen erfolgen. Nach dem Fügen werden bevorzugt die Fügestelle und, wenn noch nicht geschehen, der gefügte Wickelkopf beschichtet.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Herstellung der Wicklung einen Formgebungsschritt zur Formgebung wenigstens eines der Wickelköpfe umfasst, wobei nach dem Formgebungsschritt ein Isolierungsschritt durchgeführt wird, bei dem eine elektrisch isolierende Beschichtung, insbesondere ein Lack, auf die Wicklung, insbesondere auf den wenigstens einen Wickelkopf und/oder wenigstens eine Fügestelle zwischen Wickelkopf und Steg, aufgebracht wird. Dies erlaubt eine besonders einfache Herstellung der Wicklung. So muss bei der Formgebung wenig oder keine besondere Acht auf eine bestehende Isolierung des Leitermaterials gegeben werden.
Der Formgebungsschritt kann einen Umformschritt umfassen. Der Umformschritt kann beispielsweise einen der oben beschriebenen Umformvorgänge umfassen, insbesondere Biegen und Drehen jeweils um bevorzugt zumindest im Wesentlichen 90° und/oder Massivumformen.
Grundsätzlich können die Stege auch umgeformt werden. Der Isolierungsschritt erfolgt dann bevorzugt ebenfalls nach der Umformung.
Insbesondere bei einer Massivumformung der gesamten Wicklung wird dann bevorzugt auch die gesamte Wicklung beschichtet bzw. isoliert. Nach dem Umformen und vor dem Fügen können beispielsweise zunächst nur Teile der Wicklung, also Steg bzw. I-Pin, L-Pin oder U-Pin beschichtet werden. Nach dem Fügen werden bevorzugt die Fügestellen und insbesondere auch die gefügten Wickelköpfe beschichtet.
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 Wickel kopfpakets 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 Wickel kopfpakete 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 Wicklungsund 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 Rotoroder 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.
Fig. 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.
Fig. 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.
Fig. 3 zeigt einen perspektivischen Ausschnitt der E-Maschine im Bereich von Phasenklemmen und Sternpunktschiene.
Fig. 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.
Fig. 5 zeigt eine planare Matte einer Wellenwicklung mit einer Lage in verschiedenen Ausführungen: a) mit Phasenklemmen einseitig, b) mit Phasenklemmen zweiseitig.
Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt der Matte von Fig. 5 a).
Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt des Stators mit eingelegter Wicklung.
Fig. 8 zeigt eine planare Matte einer Wellenwicklung mit drei Lagen in verschiedenen Ansichten: a) perspektivische Ansicht; b) Ausschnitt der perspektivischen Ansicht mit den Wickelköpfen.
Fig. 9 zeigt eine planare Matte einer Wellenwicklung mit Wickelköpfen mit mittiger Kröpfung in verschiedenen Ansichten: a) perspektivische Ansicht mit Phasenklemmen einseitig, b) Ausschnitt aus Fig. 9 a) mit den Wickelköpfen.
Fig. 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.
Fig. 11 zeigt Schemata der Wickelkopfanordnung einer Wellenwicklung in verschiedenen Ausführungen: a) dreiphasig; b) vierphasig; c) fünfphasig.
Fig. 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.
Fig. 13 zeigt eine aufgeschnittene räumliche Ansicht der aktiven Teile einer permanenterregten E-Maschine mit nutenlosem Stator mit einer Ausführungsform der Wicklung als Luftspaltwicklung.
Fig. 14 zeigt Schnitte durch die aktiven Teile der E-Maschine von Fig. 13: a) Fronansicht mit Wickelkopffenster; b) Schnitt quer zum Statorring; c) vergrößerter Ausschnitt des Schnitts b).
Das erste Ausführungsbeispiel in Fig. 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*TT/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. Fig. 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. Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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.
Fig. 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 Fig. 2 c1) und c2) ist eine Querschnittsansicht gezeigt, wobei Fig. 2 c2) eine Vergrößerung der in Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 2 d), ist in diesem Ausführungsbeispiel kleiner als 75% einer magnetischen Periode. Eine Höhe des Wickelkopfpakets HH, siehe ebenfalls Fig. 2 d), bestehend aus inneren Wickelköpfen 13 und äußeren Wickelköpfen 14 entspricht vorteilhafterweise der Wicklungssteghöhe HW, siehe z.B. Fig. 2 c1) und c2), kann aber z.B. auch im Bereich zwischen 50% und 200% der Wicklungssteghöhe HW liegen. Fig. 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 HWinner- oder außerhalb des durch die Nutenmitten gebildeten Kreises liegen.
In Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 2 d), insbesondere eines jeden Abschnitts 31 , beträgt bevorzugt wenigstens 0, 2, bevorzugt wenigstens 0, 4, weiter bevorzugt 0, 6 mal DS.
In Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Wickel kopfstücke an den Phasenenden 24, 25 und 26 , gegebenenfalls radiales Umbiegen und Verformen des Wickel kopfstücks 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. Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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. Fig. 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. Fig. 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.
Fig. 5 zeigt zwei Ausführungen einer Wicklungsmatte mit radial alternierenden Wickelköpfen, nämlich in Fig. 5 a) eine Ausführung mit allen Phasenklemmen auf einer Seite der Matte und in Fig. 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. Fig. 5 zeigt den dichten Aufbau des Wickelkopfpakets, bei dem die Wickelköpfe der drei Phasen ohne Lücken in zwei radial gestapelten Schichten angeordnet sind.
Fig. 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.
Fig. 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. Fig. 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. Fig. 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 Fig. 8 kann beispielweise einfach ein Stapel von drei Wicklungsmatten gemäß Fig. 5 a) oder b) sein.
Fig. 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. Fig. 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 Fig. 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. Fig. 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 Fig. 11 b) am Beispiel von vier Phasen und Fig. 11 c) am Beispiel von fünf Phasen gezeigt. Eine Vier-Phasen-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. Fig. 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: a) Biegen und/oder Verdrehen, jeweils insbesondere in mehreren Achsen b) Fügen c) Massivumformen 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 Fig. 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 Fig. 12 a), parallel zur Stegachse, wird der tangentiale Abschnitt 31 des Wickelkopfes 11 gebildet. In einem Biegeschritt um zwei radiale Achsen, Pos. 44 in Fig. 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. Fig. 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 Fig. 12 a) und/oder Fig. 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 Fig. 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. Fig. 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 Fig. 12 b) und/oder Fig. 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.
Fig. 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 Wickel köpfe ergeben sich aus der Anordnung in Fig. 12 c) und Fig. 11.
Insbesondere kann der in Fig. 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 Fig. 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 Fig. 12 e) illustriert ist. In diesem Beispiel sind die Fügeflächen jeweils konisch ausgeführt. Alternativ sind beispielsweise auch zylindrische Fügeflächen möglich. 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.
Fig. 12 d) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wickelkopfes für eine Schweißverbindung, bei der der Wicklungssteg stumpf mit dem Wickelkopf, z.B. durch Plasmaschweißen, gefügt wird. Insbesondere werden dabei wenigstens ein erster Steg (in Fig. 12 d) nicht dargestellt) und der Wickelkopf 11 aus getrennten Bauteilen zusammengefügt, wobei ein Ende des ersten Stegs und ein Ende des Wickelkopfs 11 an korrespondierenden Fügeflächen (die Fügefläche des Wickelkopfes 11 ist in Fig. 12 d) mittel Bezugszeichen 47 angedeutet) aneinander angelegt werden, welche zumindest im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse A1 sind, und anschließend an den Fügeflächen miteinander verschweißt werden, und wobei ein zweiter Steg (in Fig. 12 d) nicht dargestellt) und der Wickelkopf 11 aus getrennten Bauteilen zusammengefügt werden, wobei ein Ende des zweiten Stegs und ein Ende des Wickelkopfs 11 an korrespondierenden Fügeflächen aneinander angelegt werden, welche zumindest im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse A1 sind, und anschließend an den Fügeflächen miteinander verschweißt werden.
Fig. 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 Fig. 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 Fig. 11.
In Fig. 12 f) ist ein Ausführungsbeispiel eines Wickelkopfes 11 gezeigt, welcher einen ersten Abschnitt 31.1 mit Versatz 38.1 , wie etwa in Bezug auf Fig. 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 Fig. 9 b) kann vorteilhafterweise entsprechend Fig. 12 f) ausgeführt sein. Alle in Fig. 12 dargestellten Wickelkopfausführungen können grundsätzlich in gekröpfter Form ausgeführt werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 f) kann beispielsweise ähnlich zu demjenigen der Fig. 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 Fig. 12 c) als auch Fig. 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 Wickelköpfe 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 Fig. 12 aufgeführten Wickelkopfgeometrien sind mit einer additiven Fertigung darstellbar. Die Reihenfolge der Wickelköpfe ergibt sich z.B. aus der Anordnung in Fig. 11.
Das nächste Ausführungsbeispiel in Fig. 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*TT/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 Fig. 8. Fig. 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. Fig. 14 a) zeigt einen Ausschnitt aus der Frontansicht der E-Maschine 29 mit dem Wickelkopffenster 12.
Fig. 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 Fig. 14 a), ist bevorzugt kleiner als 75% einer magnetischen Periode. Die Höhe des Wickel köpf pakets HH, siehe Fig. 14 c), liegt bevorzugt im Bereich zwischen 50% und 200% der Wicklungssteghöhe HW. Die radiale Position des Wickel kopfpakets kann wie in Fig. 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 Fig. 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 Wcklungsstege 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.
Fig. 14 b) zeigt die axiale und radiale Ausdehnung AH bzw. HH des Wickelkopffensters 12. Fig. 12 g) zeigt ein Ausführungsbeispiel mit sieben Einzeldrähten bzw. Leitern 9. Der Statorüberstand eines jeweiligen Leiters 9 bildet einen Wickelkopf 11. Alle in Fig. 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 Fig. 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 Wckelkopf
12 Hohlzylinder/Bauraum Wickelköpfe
13 Wckelkopf unten
14 Wckelkopf 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 Wcklungslage
29 E-Maschine mit nutenlosem Stator
30 Wckelkopf 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
47 Fügefläche
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

Claims

Ansprüche
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. 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). 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, und/oder 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. 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. 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) und/oder 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. 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 und/oder 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. 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. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, 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. Verfahren zur Herstellung einer Wicklung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für eine elektrische Maschine (1 , 29), insbesondere einer solchen nach Anspruch 8 oder 9, 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. Verfahren nach Anspruch 10, 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 Wesentlichen 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. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 oder 11, 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. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei wenigstens der erste Steg (10) und der erste Wickelkopf (11) aus getrennten Bauteilen zusammengefügt werden, wobei ein Ende des ersten Stegs (10) und ein Ende des ersten Wickelkopfes (11) an korrespondierenden Fügeflächen (47) aneinander angelegt werden, welche zumindest im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse (A1) sind, und anschließend an den Fügeflächen miteinander verschweißt werden, und/oder wobei der zweite Steg (10) und der erste Wickelkopf (11) aus getrennten Bauteilen zusammengefügt werden, wobei ein Ende des zweiten Stegs (10) und ein Ende des ersten Wickelkopfes (11) an korrespondierenden Fügeflächen (47) aneinander angelegt werden, welche zumindest im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse (A1) sind, und anschließend an den Fügeflächen miteinander verschweißt werden, insbesondere wobei anschließend ein Isolierungsschritt durchgeführt wird, bei dem eine elektrisch isolierende Beschichtung auf die Wellenwicklung, insbesondere auf wenigstens eine Fügestelle zwischen Wickelkopf und Steg, aufgebracht wird. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei wenigstens ein Steg (10) und ein Wickelkopf (11) aus getrennten Bauteilen mittels einer Pressverbindung zusammengefügt werden, insbesondere wobei die Pressverbindung eine konische oder zylindrische Fügefläche umfasst. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Herstellung der Wicklung einen Formgebungsschritt, insbesondere umfassend einen Umformungsschritt, zur Formgebung wenigstens eines der Wickelköpfe (11) umfasst, wobei nach dem Formgebungsschritt ein Isolierungsschritt durchgeführt wird, bei dem eine elektrisch isolierende Beschichtung, insbesondere ein Lack, auf die Wicklung, insbesondere auf den wenigstens einen Wickelkopf (11) und/oder wenigstens eine Fügestelle zwischen Wickelkopf (11) und Steg (10), aufgebracht wird.
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