Stator, Elektromotor sowie Verfahren zur Herstellung eines Stators

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine mehrphasige elektrische Maschine, mit einem Kernorgan, das Statornuten zur Aufnahme von mindestens zwei Wicklungsanordnungen aufweist, die jeweils mindestens zwei parallel geschaltete Leitungsanordnungen aufweisen und jeweils eine Phase bilden, derart, das eine sogenannte verteilte Wicklung vorliegt, wobei jeweils an den beiden Statorenden ein Wicklungskopf ausgebildet ist, der entsprechend der Anzahl der Wicklungsanordnungen Teilwicklungsköpfe aufweist, wobei die mindestens zwei Leiteranordnungen sowohl in den Statornuten, gesehen in Umfangrichtung des Kernorgans, als auch in den Teilwicklungsköpfen kreuzungsfrei zueinander verlaufen, wobei die aufeinander folgenden Leiteranordnungen einer Wicklungsanordnung, in Umfangrichtung gesehen, unterschiedliche Sprungweiten SLW aufweisen, wobei die Sprungweite SLW einer Leiteranordnung einer Wicklungsanordnung für mindestens ein Sprung gemäß der Formel SLW = (m-l)q + l + 2(n-l) zu beschreiben ist, wobei m die Anzahl der Phasen ist und wobei q die Anzahl der Leiteranordnungen zugehörig zu einer Wicklungsanordnung ist und n abwechselnd 1 bis q, gesehen in Umfangsrichtung ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Elektromotor und ein Verfahren zur Herstellung eines Stators.

Ein großer Vorteil von Statoren mit einer „verteilten Wicklung" ist die universelle Einsetzbarkeit dieser Statoren. Sie können sowohl bei permanent erregten Motoren, Asynchronmaschinen oder auch fremd erregten Synchronmaschinen eingesetzt werden. Neben der sogenannten Hairpin-Wicklung, bei der vorgeformte Drahtelemente mit großem, meist rechteckförmigen Drahtquerschnitt von einer Stirnseite des Blechpaketes axial in die Statornuten eingesteckt werden und auf der gegenüberliegenden Seite an den Drahtenden vertwistet und zu einer Wellenwicklung verbunden werden, hat sich insbesondere die Einzugswicklung als eine Form der verteilten Wicklung herauskristallisiert. Ein Beispiel für eine derartige verteilte Wicklung zeigt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2012 209 441 Al. Die jeweilige

Wicklungsanordnung zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass jede Wicklungsanordnung gegenübergelegene Teilwicklungsköpfe aufweist. Hierdurch müssen die Leiteranordnungen in Richtung der Rotationsachse des Kernorgans gesehen, aufeinander folgend angeordnet werden, was zu einem hohen Anteil an nichtelektrisch zu nutzenden

Leiteranordnungen im Bereich der Wickelköpfe führt. Der Materialaufwand für einen derartigen Stator ist somit beträchtlich und der Stator ist somit teuer in der Herstellung. Zudem bedingt eine derartige Ausführung einen großen Bauraum.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den oben genannten Nachteil auf möglichst einfache und kostengünstige Weise zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Stator dadurch gelöst, dass jede Leiteranordnung einer Wicklungsanordnung mit mindestens zwei aufeinanderfolgenden Sprüngen in Umfangsrichtung aufweist, wobei die jeweilige Sprungweite der jeweiligen Leiteranordnung an jedem Teilwicklungskopf gemäß der Formel SLW = (m-l)q+l + 2(n-l) beginnt mit der jeweils innenliegenden Leiteranordnung mit n = 1 neu definiert ist. Hierdurch ist es möglich bei einer verteilten Wicklung Wicklungsanordnungen vorzusehen, die keine Kreuzungspunkte in radialer Richtung des Stators aufweisen, und bei denen lediglich ein geringer Anteil der Leitungsanordnungen im Bereich des jeweiligen Wicklungskopfes verläuft.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist eine Leiteranordnung durch eine Anzahl von Einzelleiterelementen gebildet. Hierbei bilden mehrere kleine Einzelleiterelemente, die hierbei parallelgeschaltet sind, die Leiteranordnung. Hierbei kann in der Statornut ein großer Querschnitt der Leiteranordnung erreicht werden, wobei jedoch lediglich geringe elektrische Verluste zu verzeichnen sind Hierbei können die Einzelleiterelemente zumindest abschnittsweise eine gemeinsame Ummantelung aufweisen. Diese Ummantelung vereinfacht hierbei den Wicklungsprozess und ist geeignet, eine elektrische Isolierung zu gewährleisten. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Leiteranordnung im Bereich eines Teilwicklungskopfes vertwistet. Ein derartiges Vertwisten kann einfach, beispielsweise um 180° oder mehrfach stattfinden. Durch das Vertwisten der Leiteranordnung im jeweiligen Teilwicklungskopf wird der effektive Querschnitt der Leiteranordnung in der Statornut nicht reduziert, wobei gleichzeitig jedoch die Stromverdrängung reduziert wird. Hierdurch können insbesondere kostengünstige

Standard-Einzelleiterelemente eingesetzt werden.

Um einen möglichst Platz sparenden Verlauf der jeweiligen Leiteranordnungen im Bereich des jeweiligen Wicklungskopfes zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Leiteranordnung an der Hälfte eines Teilwicklungskopfes zweimal S-förmig in Wickelrichtung abgeknickt ist, derart, dass Leitungsanordnungen, in radialer Richtung des Kernorgans gesehen, in einer Ebene verlaufen. Hierbei kann beispielsweise ein Winkel von ca. 20° - 45° vorgesehen sein. Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor mit einem derartigen Stator.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Stators, bei dem in einem ersten Schritt alle Leiteranordnungen in benachbarte Statornuten eingelegt werden, in einem zweiten Schritt das Wickeln einer ersten Lage aller Leiteranordnungen gemäß der Formel SLW = (m-l)q + l + 2(n-l) simultan begonnen wird, in einem dritten Schritt die weiteren Lagen gewickelt werden, und in einem vierten Schritt die Leiteranordnungen verschaltet werden. Vor dem ersten Schritt können die Leiteranordnungen aus einer Anzahl von Einzelleiterelementen hergestellt werden und danach zumindest abschnittsweise mit einer Ummantelung versehen werden. Es kann hierbei angemerkt werden, dass die Lagen in vorteilhafter Weise von Außen nach Innen gewickelt werden.

Es ist zudem vorteilhaft, wenn während des Wickelvorganges die Leiteranordnungen im Bereich der Teilwicklungsköpfe vertwistet werden. Auch können während des Wicklungsvorganges die Leiteranordnungen im Bereich der Hälfte eines Teilwicklungskopfes in Wickelrichtung nach Innen S-förmig abgeknickt werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, hierbei zeigt:

Figur 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Stators,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht von Wicklungsanordnungen mit Leiteranordnungen nach dem Wickeln einer ersten Lage, Figur 3 eine Abwicklung einer Wicklungsanordnung, bestehend aus zwei Leiteranordnungen,

Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer Leiteranordnung, und

Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer Leiteranordnung im Bereich eines Teilwicklungskopfes.

Figur 1 zeigt eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer elektrischen Maschine 2, insbesondere eines Elektromotors mit einem erfindungsgemäßen Stator 4 und einem in den Stator 4 angeordneten Rotor 6. Der Rotor 6 weist auf bekannte Weise permanente Magnete 8 auf. Der erfindungsgemäße Stator 4 besitzt ein Kernorgan 10, mit Statornuten 12. In den Statornuten 12 sind drei Wicklungsanordnungen 14, 16, 18 vorgesehen, die jeweils eine Phase bilden und mit sieben Lagen als verteilte Wicklung im Kernorgan 10 gewickelt sind. Es handelt sich also um einen dreiphasigen Elektromotor 2, der natürlich weitere nicht dargestellte Teile, wie zum Beispiel Lagermittel, Welle, etc. aufweist.

Die Wicklungsanordnungen 14, 16, 18, weisen im vorliegenden

Ausführungsbeispiel jeweils zwei parallel verlaufende Leiteranordnungen 20, 22; 24, 26 und 28, 30 auf. Elektrisch können die Leiteranordnungen sowohl parallel als auch in Reihe geschaltet sein.

An jeweiligen Statorenden 32, 34 sind auf bekannte Weise

Wicklungsköpfe 36, 38 ausgebildet, die entsprechend den

Wicklungsanordnungen 14, 16, 18 Teilwicklungsköpfe 40, 42, 44 bilden. Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Wicklungsanordnungen 14, 16, 18 aus Figur 1 in einer ersten Lage ohne das Kernorgan 10. Hierbei bilden, wie in Zusammenhang mit Figur 1 bereits genannt, die Leiteranordnungen 20, 22 die Wicklungsanordnung 14, die

Leiteranordnungen 24, 26 die Wicklungsanordnung 16 und die

Leiteranordnungen 28, 30 die Wicklungsanordnung 18. Der Wickelvorgang wird für die Leitungsanordnungen 20, 22 an der Position 46 für die Leiteranordnungen 24, 26 an der Position 48 und für die Leiteranordnungen 28, 30 an der Position 50 gestartet und verläuft gegen den Uhrzeigersinn. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die komplette erste Lage der drei Wickelanordnungen 14, 16, 18 gewickelt. Begonnen wird hierbei im nach außen gerichtetem Bereich der Statornuten 12. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gibt es jeweils drei Teilwicklungsköpfe 40, 42, 44 für jede Wicklungsanordnung 14, 16, 18, wobei beim Bezugszeichen 44 des dritten Teilwicklungskopfes der Übergang zur zweiten Lage dargestellt ist. Um Kreuzungen von Leiteranordnungen 20, 22; 24, 26; 28, 30 zu vermeiden und die Wickelköpfe 36, 38 möglichst platzsparend auszuführen, wodurch Leitermaterial, das nicht elektrisch nutzbar ist, eingespart werden kann, sind die Leiteranordnungen 20, 22; 24, 26; 28, 30 an der Hälfte eines Teilwicklungskopfes 40, 42, 44 zweimal um ca. 20° - 45° in Wickelrichtung abgeknickt, derart, dass die Leitungsanordnungen 20, 22; 24, 26; 28, 30, in radialer Richtung des Kernorgans 10 gesehen, in einer Ebene verlaufen. Hinsichtlich der Abknickung der Leitungsanordnungen 20, 22; 24, 26 und 28, 30 wird auch auf Figur 5 verwiesen. Figur 3 zeigt nun in schematischer Weise eine Abwicklung für die Wicklungsanordnung 16 bestehend aus den Leitungsanordnungen 24, 26. Deutlich zu erkennen ist hier, wie die aufeinander folgenden Leiteranordnungen 24, 26, in Umfangsrichtung gesehen, unterschiedliche Sprungweiten SLW aufweisen. Im vorliegenden Fall besitzt der Stator 4 gemäß den Wicklungsanordnungen 14, 16, 18 drei Phasen m = 3. Eine Phase beziehungsweise Wicklungsanordnung 16 weist hier zwei Leiteranordnungen q = 2 auf. Gemäß der Formel SLW = (m-l)q + l + 2(n-l), wobei m die Anzahl der Phasen, q die Anzahl der Leiteranordnungen zugehörig zu einer Wicklungsanordnung und n abwechselnd eins bis q beschreibt wechselt die Sprungweite SLW für die Leiteranordnung 24 von 7 auf 5 und vice versa. Für die Leiteranordnung 26 wechselt die Sprungweite von 5 auf 7 und vice versa. Abhängig von der Anzahl Phasen und der Leitungsanordnungen, die zu einer Wicklungsanordnung gehören, ändert sich die Sprungweite. Würde beispielsweise bei einem drei-phasigen Stator (m=3) eine Wicklungsanordnung aus drei Leitungsanordnungen (q = 3) bestehen, würden die außenliegenden Leitungsanordnungen einen Wechsel in der Sprungweite SLW von 7 bis 9 vollziehen. Die mittlere Leitungsanordnung hätte in diesem Fall eine gleichbleibende Sprungweite von 8. Anders ausgedrückt definiert sich die jeweilige Sprungweite SLW der jeweiligen Leiteranordnung an jedem Teilwicklungskopf beginnend mit der jeweils innenliegenden Leiteranordnung mit n = 1 neu.

Figur 4 zeigt nun einen Teil der Leiteranordnung 24, die wie alle anderen Leiteranordnungen 20, 22, 26, 28 und 30 aus fünfzehn parallel geschalteten Einzelleiterelementen 46 aufgebaut ist. Zur besseren Verarbeitung und Isolierung ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine abschnittsweise Ummantelung 48 vorgesehen.

Figur 5 zeigt in einer Teilansicht die Leitungsanordnung 24 im Bereich des entsprechenden Teilwicklungskopfes 42. Hierbei ist deutlich zu erkennen, wie die Leitungsanordnung 24 im Bereich des Teilwicklungskopfes 42 vertwistet ist und die Leiteranordnung 24 S-förmig, dass heißt hier zweimal um ca. 20° - 45° in Wickelrichtung abgeknickt ist. Insbesondere anhand der Figuren 2 und 3 wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Stators 4 beschrieben. Zunächst werden die Leiteranordnungen 20, 22, 24, 26, 28, 30 jeweils aus fünfzehn parallel zu schaltenden Einzelleiterelementen hergestellt. Dann werden die Leiteranordnungen 20, 22, 24, 26, 28, 30 jeweils mit einer Ummantelung 48 versehen und nachfolgend alle Leiteranordnungen 20, 22, 24, 26, 28, 30 in benachbarte Statornuten 12 eingelegt. In einem weiteren Schritt wird dann das Wickeln einer ersten, äußeren Lage aller Leiteranordnungen 20, 22, 24, 26, 28, 30 gemäß der Formel SLW = (m-l)q + l + 2(n-l) simultan begonnen. Im vorliegenden Fall weist eine Wickelanordnung 14, 16, 18 jeweils zwei Leiteranordnungen auf. Zudem gibt es drei Wickelanordnungen 14, 16, 18 die jeweils die drei Phasen U, V, W bilden. Mit diesen Randbedingungen ist m = 3, q = 2 und n ist für die jeweilige Wickelanordnung 1 oder 2, wobei die Sprungweite SLW für die jeweilige Leiteranordnung immer mit n = 1 für die jeweils innenliegende Leiteranordnung definiert ist. In Figur 3 ist das deutlich zu erkennen, wie die jeweiligen Leiteranordnungen 24, 26 jeweils eine Sprungweite von 5 oder 7 aufweisen.

Während des Wickelvorgangs werden die Leiteranordnungen 20, 22, 24, 26, 28, 30 im Bereich der Teilwicklungsköpfe 40, 42, 44 vertwistet. Auch werden die Leiteranordnung 20, 22, 24, 26, 28, 30 im Bereich der Hälfte eines Teilwicklungskopfes 40, 42, 44 in Wickelrichtung nach innen zweimal um 20° - 45° abgeknickt.

Abschließend werden dann die weiteren Lagen nach innen gemäß der Vorgehensweise bei der ersten Lage gewickelt und in einem sechsten Schritt die Leiteranordnungen 20, 22, 24, 26, 28, 30 dann verschaltet.