DE4234129C2 - Mehrphasige elektrische Maschine mit zusammenmontierbaren Leiterlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrphasige elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.

Bei der Verminderung des Volumens hocheffizienter elektrischer Maschinen spielt die Bau­ form und Anordnung der Leiter eine entscheidende Rolle. Möglichst kurze Leiterlängen in den Verbindungsköpfen bei einer hohen Raumausnutzung vermindern die ohmschen Verluste und erhöhen die Leistungsdichte.

Beim Wickeln bzw. Einlegen sowohl von Drähten als auch von Formspulen sind beim Verformen der isolierten Leiter Biegeradien einzuhalten. Mit abnehmenden Biegeradien wächst die Gefahr, daß die möglichst dünne Isolationsschicht beschädigt wird. Der Raum in den Verbindungsköpfen kann dadurch nur unzureichend genutzt werden und die Leiterlänge, das Gewicht und die ohmschen Verluste steigen an.

Für kleine Außenabmessungen ist ein Leiteraufbau notwendig, bei dem in den Nuten mehrere Nutstäbe angeordnet sind, die in Reihe geschaltet zum gleichen Leiterstrang gehören. Hierbei ist die Wahl einer geeigneten Rückführung des Leiterstranges zum wiederholten Durchlaufen einer Nut entscheidend für die vollständige und gleichmäßige Ausnutzung des Verbindungskopfraumes.

In den Patentschriften GB-PS 745 302, GB-PS 777 468 und GB-PS 12 81 691 werden vom Gleichstrom durchflossene Wicklungen für Erregerpole großer Synchronmaschinen beschrieben, die sich aus unterschiedlichen Leiterteilen zusammensetzen, wobei Nutstäbe an ihren verformten Enden durch Leiterteile verbunden werden. Diese Verbindungsleiter zeichnen sich durch Kühlöffnungen und kleine schlecht zugängliche Verbindungsstellen aus, wodurch der Strangwiderstand und der Herstellungsaufwand ansteigen.

Aus der US-PS 41 15 915 ist eine mehrphasige elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung der eingangs genannten Art bekannt, indem ein vielfach geschleifter Leiter­ aufbau aus einzelnen Leiterstrangabschnitten am weichmagnetischen Körper zusammengesetzt wird. Durch die große Anzahl der Verbindungsleiterbauformen und der zu realisierenden Verbindungsstellen ergibt sich in diesem Verfahren jedoch ein hoher Fertigungsaufwand. Zusätzlich erschwert die Bündelung von unterschiedlich langen Leiterstäben die Herstellung der Verbindungsstellen. Die große Anzahl und die Bauform der Verbindungsstellen lassen eine erhöhte Störanfalligkeit erwarten, wobei keine ausreichende Reparaturmöglichkeiten existiert, da alle Verbindungsstellen - außer den äußersten - nachträglich nicht mehr zugänglich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit achspar­ allelen Nutstäben, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Maschine derart weiterzu­ bilden, daß ein hoher Wirkungsgrad, ein geringes Maschinengewicht, kleine Außenabmes­ sungen sowie eine kostengünstige und einfache Herstellung ermöglicht werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1, 2 oder 15 gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt der Verlauf der Leiterstränge entweder in radial übereinander geschichteten versetzten Lagen oder in achterförmigen Schleifen. Diese beiden Rückführungs­ varianten ermöglichen die Minimierung der unterschiedlichen Leiterbauformen und die Vermeidung von Überschneidungen, verbunden mit einer vollkommen symmetrischen und damit gleichmäßigen Ausnutzung des Verbindungskopfraumes.

Eine Lage besteht hierbei aus in Reihe geschalteten Verbindungsleitern und Nutstäben aus mindestens drei aufeinander folgenden Polteilungen, wobei diese Nutstäbe unterschiedlicher Polteilungen in etwa den gleichen Abstand zum Luftspalt aufweisen. Als Wechselleiter werden im folgenden Leiterteile bezeichnet, die Nutstäbe unterschiedlicher Lagen verbinden und unsymmetrische Enden aufweisen. Zwei radial übereinanderliegende Lagen führen den Strom tangential in unterscheidliche Richtung und verlaufen um eine Polteilung versetzt zueinander. Alle Verbindungsleiter einer schleifenlosen Lage können baugleich sein. Zusätzlich unter­ scheiden sich alle Wechselleiter im Profil voneinander und am Anfang und Ende jedes Leiter­ stranges sind noch unterschiedliche Zuleitungs- und Ableitungsleiter für die Stromversorgung notwendig. Insgesamt besteht ein Leiterstrang mit versetzten Lagen und mit z_N Nutstäben pro Nut somit aus (2·z_N + 1) verschiedenen Leiterelementbauformen.

In Ausführungsformen in denen nur 3, 4 oder 5 in Reihe geschaltete Nutstäbe pro Nut benötigt werden, sind auch Leiterverläufe mit vorwärts- und rückwärtsgerichteten Schleifen in einer oder zwei Lagen einsetzbar. Ein auch als mit achterförmigem Verlauf beschriebener Leiterstrang, weist in jeder Polteilung Schleifen mit unterschiedlichem Drehsinn auf. Bei ungeradem z_N durchläuft ein Leiterstrang nur einmal in Schleifen den Umfang der Maschine und wird daher als einlagig bezeichnet. Bei geradem z_N durchläuft der Leiterstrang nach dem ersten Umlauf mit Schleifen den Maschinenumfang noch einmal in tangential entgegengesetz­ ter Richtung, woraus die Bezeichnung zweilagig resultiert. Gegenüber den Verläufen in Lagen werden beim einlagigen achterförmigen Verlauf keine Wechselleiter und beim zweilagigen achterförmigen Verlauf nur ein Wechselleiter benötigt, wodurch die Anzahl der Leiterbau­ formen und damit der Herstellungsaufwand minimiert wird.

Alle Verbindungsleiter, die in einer Stegschicht Nutstäbe von zwei Nuten benachbarter Polteilungen miteinander verbinden, werden verbal als Sektoren zusammengefaßt. O-förmige Sektoren bzw. Verbindungsköpfe besitzen oberhalb und unterhalb der Nutstabenden Stege, so daß auch der Raum auf Höhe des Luftspaltes und der Magnete von den Verbindungsköpfen genutzt wird.

Sektoren unterschiedlicher Leiterstränge bzw. Phasen sind in den Verbindungsköpfen im Steg­ bereich axial hintereinander angeordnet, wobei alle Verbindungsleiter einer Phase in einem Verbindungskopf jeweils in einer Stegschicht liegen. Die Anzahl der axial hintereinander liegenden Sektoren entspricht somit der Nutenanzahl pro Polteilung bzw. der Phasenanzahl.

Da Leiterstränge aus Nutstäben und Verbindungsleitern zusammengesetzt werden, entfällt die Einschränkung durch zu berücksichtigende Biegeradien und die Verbindungsleiter der inneren Stegschichten können direkt flächig an den Stirnflächen des weichmagnetischen Körpers anliegen. Durch die großen, vorzugsweise rechteckförmigen Verbindungsleiterquerschnitte und das flächige Aneinanderfügen der Leiterstränge unter Vermeidung von Hohlräumen, ist ein sehr stabiler selbsttragender Aufbau der Verbindungsköpfe und eine gute Ableitung der Verlustwärme aus den Verbindungsköpfen zu anliegenden Kühlkörpern gegeben.

Indem Nutstäbe bereits in einem vorgelagerten Arbeitsschritt mit jeweils einem ihrer Ver­ bindungsleiter zusammengefügt werden oder durch eine einstückige Vorfertigung derartiger Einheiten, vereinfacht sich die Montage des Leiteraufbaus, da die Anzahl der beim eigent­ lichen Montageprozeß am weichmagnetischen Körper zu realisierenden Verbindungsstellen auf die Anzahl der Nutstäbe im weichmagnetischen Körper halbiert wird.

Durch die Verwendung von Einheiten wird ein Leiterstrang aus einer Einheitenstegschicht und einer Verbindungsleiterstegschicht zusammengesetzt. Da sich in den äußeren Stegschich­ ten größere Aufschmelzzonen ergeben, setzen sich die näher am weichmagnetischen Körper liegenden Stegschichten vorteilhaft aus Einheiten zusammen und die Stromzu- und -ableitung erfolgt nur in den äußeren Stegschichten. Alle Wechselleiter und die beiden Anschlußleiter eines Leiterstranges liegen in zwei benachbarten Sektoren einer Stegschicht. Diese beiden Sektoren werden im folgenden als Wechselsektoren bezeichnet.

Für eine gute Raumausnutzung und zur Vergrößerung des Leiterquerschnitts und der Kontakt­ flächen an den Verbindungsstellen, paßt sich der Leiterquerschnitt außerhalb des weichmagne­ tischen Körpers dem Raumangebot an. Hierbei wird in den Verbindungsköpfen der Raum aus­ genutzt, der im weichmagnetischen Körper als Zahn den magnetischen Fluß in radialer Richtung führt. Damit zum Aufschmelzen der Verbindungsstellen und zur radialen Stromfüh­ rung tangential auf beiden Seiten der Nutstabenden jeweils der gesamte Zahnraum genutzt wird, weisen die Verbindungsleiter von Leitersträngen benachbarter Nuten unterschiedliche Abstände von den Stirnflächen des weichmagnetischen Körpers auf.

Weiterhin wird durch die axiale Vergrößerung des Leiterquerschnitts der auf Nuthöhe liegenden Enden der Verbindungsleiter die Kontaktfläche zwischen Verbindungsleitern und Nutstäben vergrößert und damit eine zusätzliche Verringerung des Übergangswiderstandes zwischen den beiden Leiterelementen erreicht. In der Ausführungsform mit halbierten Ver­ bindungsköpfen entspricht die axiale Lange dieser Vergrößerung der Hälfte der Verbindungs­ kopfbreite. Jede Verbindungsstelle, die in einer äußeren Verbindungskopfhälfte liegt, ist jederzeit von außen für Kontrollmessungen und ggf. zur Nachbesserung der Leitfähigkeit zugänglich.

Eine leicht konische Ausgestaltung der Enden der Einheiten bewirkt beim Aufpressen eine geringfügige Verformung des weichen Leitermaterials, wodurch Fertigungstoleranzen ausge­ glichen werden und ein guter Kontakt entsteht. Ergänzend oder alternativ, ist es ebenfalls sinnvoll die Aussparungen der Verbindungsleiter entsprechend konisch auszugestalten.

In vorteilhaften Ausführungsformen umschließen die Verbindungsleiterenden die Enden der Nutstäbe bzw. Einheiten von vier Seiten. Diese Ausgestaltung schafft gute Voraussetzungen, um in allen bei der Montage zu realisierenden Verbindungsstellen durch lokales Erwärmen, z. B. durch einen Laser, eine hohe Leitfähigkeit zu erreichen.

Wenn aufgrund der einseitigen Stromverdrängung für die gewünschte Nuttiefe eine Aufteilung der Leiterstränge im weichmagnetischen Körper notwendig ist, wird durch den Einsatz von Kunststäben die Anzahl der Verbindungsleiterbauformen und der zu realisierenden Ver­ bindungsstellen gering gehalten.

Durch die Reihenschaltung von mehreren umlaufenden Leitersträngen benachbarter Nuten wird die Anzahl der in Reihe geschalteten Nutstäbe und damit die induzierte Spannung ver­ vielfacht, ohne die Nutstabanzahl pro Nut und den damit verbundenen Herstellungsaufwand zu erhöhen. Weiterhin besteht die Möglichkeit durch Umschalten dieser Verbindungen von seriellen in parallelen Betrieb die Spannung zu halbieren und dafür den Strom zu verdoppeln.

Zur Herstellung der Leiterelemente und deren Montage zu einem funktionsfähigen Leiter­ aufbau sind zahlreiche konventionelle Bearbeitungsvarianten geeignet, die alle vollautomati­ sierbar sind und damit eine kostengünstige Massenfertigung ermöglichen.

Für gewichtsoptimierte Ausführungsformen wird nur in den Nuten Kupfer als Leitermaterial verwendet, während die im Verbindungskopf liegenden Leiterteile aus Aluminium bestehen, das z. B. durch Reibschweißen oder Kristallisation direkt aus der Schmelze angefügt wird.

Einheiten werden besonders materialsparend hergestellt, indem vorgefertigte Nut- oder Kunst­ stäbe in eine Form mit aufgeschmolzenem Leitermaterial (z. B. Kupfer oder Aluminium) gesteckt werden. Nachdem das Leitermaterial abgekühlt ist, müssen die Außenabmessungen der Einheiten nur noch mit geringem Materialverlust nachgearbeitet werden.

Die Einheitenstegschichten der beiden inneren Verbindungskopfhälften werden bei der Montage des Leiteraufbaus gleichzeitig in den weichmagnetischen Körper eingeschoben, wodurch die Nutstabenden in einem der halben Verbindungskopfbreite entsprechenden Abstand vor den Stirnseiten des weichmagnetischen Körper auf die für sie vorgesehenen Aus­ sparungen in der gegenüberliegenden inneren Verbindungskopfhälfte treffen. Durch den Abstand können kleine Versetzungen zwischen Nutstab und Aussparung aufgrund der Ferti­ gungstoleranzen leichter durch eine geringfügige Verformung der beiden sich berührenden Teile ausgeglichen werden. Um Verkantungen zu vermeiden weisen die Enden der Nutstäbe eine sich konisch verjüngende Form auf.

Anschließend werden die von einem Bestückungsautomat fehlerfrei zusammengesetzten, ringförmigen Verbindungsleiterstegschichten axial auf die Einheitenenden aufgepreßt. Erfolgt der Einpreßvorgang bei erhöhten Temperaturen, so findet dabei ein Diffusionsschweißprozeß statt. Zusätzlich werden die Kontaktstellen - z. B. mit einem Laser - noch lokal so stark erwärmt, daß die beiden Leiterelemente in den Verbindungsstellen ineinander verschmelzen. Bei zu hohen Widerstandswerten ist ein Nachbessern durch wiederholtes, gezieltes Auf­ schmelzen und/oder zusätzliches lokales Aufbringen von Leitermaterial möglich. Damit Oxidschichten die Leitfähigkeit an den Materialübergängen nicht stören, sollten die Be­ arbeitungsschritte vollautomatisch unter Schutzgasbedingungen stattfinden. Alternativ oder ergänzend können die Kontaktflächen auch direkt nach der Bearbeitung der Oberflächen mit einer dünnen Kontaktschicht, z. B. aus Silber, überzogen werden.

Die Einteilung der Ausführungsformen erfolgt im wesentlichen nach zwei Kriterien. Erstens werden Ausführungsformen mit versetzten Lagen und mit achterförmigen Schleifen unter­ schieden und zweitens die Sektoren in U-förmige und O-förmige Bauformen eingeteilt.

Die Zeichnungen stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.

Fig. 1 Leiterverlauf und Stirnseitenansichten der Stegschichten eines Leiterstranges mit versetzten Lagen aus einer sechsphasigen Maschine mit O-förmigen Sektoren, sechs Nutstäben pro Nut und halbierten Verbindungsköpfen;

Fig. 2 Leiterverlauf und Stirnseitenansichten der Stegschichten eines Leiterstranges mit versetzten Lagen aus einer vierphasigen Maschine mit U-förmigen Sektoren, fünf Nutstäben pro Nut und halbierten Verbindungsköpfen;

Fig. 3 Leiterverlauf und Stirnseitenansichten der Stegschichten eines Leiterstranges mit achterförmigen Schleifen aus einer fünfphasigen Maschine mit O-förmigen Sekto­ ren mit fünf Nutstäben pro Nut ohne halbierte Verbindungsköpfe;

Fig. 4 Leiterverlauf und Stirnseitenansichten der Stegschichten eines Leiterstranges mit zweilagigem, achterförmigem Verlauf aus einer vierphasigen Maschine mit O- förmigen Sektoren, vier Nutstäben pro Nut und halbierten Verbindungsköpfen;

Fig. 5 perspektivische Ansicht eines drei Polteilungen umfassenden Ausschnitts des mittleren Leiterstranges mit versetzten Lagen und vier Nutstäben pro Nut, aus einer vierphasigen Maschine mit halbierten Verbindungsköpfen;

Fig. 6 perspektivische Ansicht eines drei Polteilungen umfassenden Ausschnitts der beiden Leiterstränge mit achterförmigen Schleifen und drei Nutstäben pro Nut aus einer zweiphasigen Maschine mit O-förmigen Sektoren;

Fig. 7 perspektivische Ansicht eines vier Polteilungen umfassenden Ausschnitts der drei Leiterstränge mit achterförmigen Schleifen und drei Nutstäben pro Nut aus einer dreiphasigen Maschine mit U-förmigen Sektoren;

Fig. 8 perspektivische Ansicht eines vier Polteilungen umfassenden Ausschnitts eines Leiterstranges mit versetzten Lagen und fünf Nutstäben pro Nut aus einer vier­ phasigen Maschine mit halbierten Verbindungsköpfen und O-förmigen Sektoren, wobei die Wechselsektoren mit dargestellt sind;

Fig. 9 zwei vollständige Stirnseitenansichten der beiden Stegschichten eines Leiter­ stranges mit versetzten Lagen aus einer vierphasigen, zwölfpoligen Maschine mit halbierten Verbindungsköpfen und U-förmigen Sektoren;

Fig. 10 alle Einheiten des Leiterstranges aus Fig. 9 beim Zusammenschieben zu einer Einheitenstegschicht;

Fig. 11 alle Verbindungs-, Wechsel- und Anschlußleiter der beiden Stegschichten einer äußeren Verbindungskopfhälfte der Maschine aus Fig. 9.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Verlauf und den Seitenansichten der beiden Steg­ schichten 14, 15 eines Leiterstranges in Lagen, wobei ein sechsphasiger Leiteraufbau mit halbierten Verbindungsköpfen und sechs Nutstäben pro Nut (z_N = 6) dargestellt ist. Die durch ihre Reihenschaltung den Leiterstrang 13 bildenden Leiterelemente sind mit 1 bis 12 durchnumeriert. Wenn der Strom - wie durch die Pfeile symbolisiert - oben links in den betrachteten Umfangsausschnitt der Maschine eintritt, durchfließt er zuerst die aus den Leiterelementen 1 und 2 gebildete Lage von links nach rechts. Rechts außerhalb des betrach­ teten Ausschnitts wechselt er durch einen Wechselleiter in die zweite Lage 16, die aus den Leiterelementen 3 und 4 besteht. In der zweiten Lage durchfließt der Strom den Umfangsaus­ schnitt von rechts nach links. Links außerhalb des Bildes verbindet ein Wechselleiter die zweite mit der dritten Lage, bestehend aus den Leiterelementen 5 und 6, die den Strom wieder von links nach rechts durch den Maschinenumfang führen, usw. Die Schraffur der Leiter­ elemente, die den Strom von links nach rechts führen, ist dichter gewählt. Außerdem wird der Schraffurwinkel mit abnehmender Spannung kleiner. Da beide Stegschichten 14, 15 in den äußeren Verbindungskopfhälften liegen, werden nur zwei unterschiedliche Verbindungs­ sektoren mit sechs unterschiedlichen symmetrischen Leiterbauformen benötigt.

Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Leiterverlauf und die Seitenansichten eines in versetzten Lagen verlaufenden Leiterstranges aus einer Maschine mit halbierten Verbindungsköpfen, wobei beide Stegschichten wieder in den äußeren Verbindungskopfhälften liegen, nun jedoch ein vierphasiger Leiteraufbau mit z_N = 5 und U-förmigen Sektoren dargestellt ist. Ein fiktiv durch die Pfeile symbolisierter Gleichstrom durchfließt den Leiterstrang 17 im betrachteten Bildausschnitt zunächst von links nach rechts in den Leiterelementen 21 und 22 der ersten Lage, dann von rechts nach links in Leiterelementen 23 und 24 der zweiten Lage, usw. Die in Reihe geschalteten Leiterelementbauformen sind mit 21 bis 30 fortlaufend durchnumeriert und bilden - allein durch ihr flächiges Aneinanderliegen - selbsttragend aufgebaute Stegschich­ ten 18 und 19, die auf verschiedenen Seiten des weichmagnetischen Körpers parallel zu dessen Stirnseiten angeordnet sind. Wie in Fig. 1 ist die Schraffur der den Strom von links nach rechts leitenden Leiterelemente dichter ausgeführt.

Fig. 3 zeigt einen Umfangsausschnitt aus einem Leiterstrang 41 mit achterförmigem Verlauf aus einer fünfphasigen Maschine. Da die Stegschicht 42 die gesamte Verbindungskopfhöhe ausnutzt handelt es sich um die äußerste Stegschicht eines nicht halbierten Verbindungs­ kopfes, während die innere Stegschicht 43 mit ihren großen Fenstern die Nutstäbe anderer Leiterstränge berücksichtigen muß. Tritt der Strom oben links in den betrachteten Umfangs­ ausschnitt des Leiterstranges 41 ein, so durchfließt er zunächst in zwei benachbarten Pol­ teilungen zehn Leiterelemente in der Reihenfolge 31 bis 40. Hierbei wechselt der Strom seine tangentiale Flußrichtung fast bei jedem Nutaustritt. Nur beim Übergang von Leiterelement 31 zu 32 und 36 zu 37 behält er die vorherrschende Richtung von links nach rechts bei. An diesen Stellen ändert sich dafür die Drehrichtung der Schleifen. Die durch die Leiterelemente 32 bis 36 gebildeten beiden Schleifen drehen gegen den Uhrzeigersinn, und die durch die Leiterelemente 37 bis 40 gebildeten Schleifen mit dem Uhrzeigersinn. Der Strom umfließt den Umfang der Maschine nur einmal. Wechselleiter werden daher nicht benötigt. Die Leiter­ elemente 31 und 33 bzw. 36 und 38 sind baugleich.

Der in Fig. 4 dargestellte Leiterstrang (44/45) weist eine zweilagigen, achterförmig ge­ schleiften Leiterverlauf auf. Ein beispielhaft oben links in den Bildausschnitt eintretende Strom durchfließt die Nuten zunächst in der ersten Lage 44 von links nach rechts, wobei innerhalb eines Polpaares jeweils nur eine linksdrehende Schleife die tangentiale Flußrichtung vorübergehend ändert. Anschließend durchfließt der Strom den Umfang der Maschine in einer zweiten Lage 45 von rechts nach links mit nun einer rechtsdrehenden Schleife pro Polpaar. Die Leiterelemente sind wieder fortlaufend durchnumeriert, wobei 46 bis 49 zur dicht­ schraffierten nach rechts verlaufenden Lage 44 und 50 bis 53 zur nach links verlaufenden Lage 45 gehören. Bei z_N = 4 weist der Leiterstrang (44, 45) also dank der Schleifen nur einen Wechselleiter auf und nutzt trotzdem den Stegraum gleichmäßig aus. In der Stegschicht 54 werden aufgrund günstiger Symmetrien nur zwei Leiterbauformen benötigt und sollten vorzugsweise aus Einheiten bestehen. Die Stegschicht 55 weist dagegen vier unterschiedliche Verbindungsleiterbauformen auf und sollte daher in einer äußeren Verbindungskopfhälfte liegen. Dort wäre die tangentiale Breite der radial verlaufenden Verbindungsleiterenden jedoch um eine halbe Nutbreite größer als dargestellt ausführbar.

Fig. 5 zeigt einen vier Polteilungen umfassenden Ausschnitt eines Leiterstrangs 60 aus einer vierphasigen Maschine mit z_N = 4 in einer dreidimensionalen Darstellung. An den symmetri­ schen Enden der Leiterelemente 56 bis 59 und 63 bis 66 ist zu erkennen, daß die Rückfüh­ rung des Leiterstranges 60 in versetzten Lagen erfolgt. Die Stegschicht 61 besteht aus Einheiten 63 bis 66, deren Enden mit Verbindungsleitern 56 bis 59 verbunden sind. Die rechte Hälfte der Leiterelemente wurde räumlich versetzt gezeichnet, um die einzelnen Bauelemente und ihre Bauformen hervorzuheben. Die Verbindungsleiter 63 bis 66 weisen vom weichma­ gnetischen Körper wegweisende axiale Leiterquerschnittsvergrößerungen 67 auf, während sie bei den Einheiten zum weichmagnetischen Körper gerichtet sind. Hieran ist erkennbar, daß es sich um die zweitinnerste Einheitenstegschicht 61 und die zweitäußerste Verbindungsleiter­ stegschicht 62 eines Leiteraufbaus mit halbierten Verbindungsköpfen handelt. In der äußeren Stegschicht 62 wird auf eine Verbreiterung der radial verlaufenden Leiterteilstücke um jeweils eine halbe Nutbreite verzichtet, wodurch alle Verbindungen einer Lage baugleich sind. Analog zu Fig. 2 bilden jeweils eine Verbindungsleiterbauform und eine ähnlich ausgestaltete Einheitenbauform zusammen jeweils eine Lage; 56 mit 65, 57 mit 66, 58 mit 63, 59 mit 64.

Fig. 6 zeigt einen Umfangsausschnitt der beiden Leiterstränge 68 und 69 einer zweiphasigen Maschine, wobei von einem Leiterstrang 68 lediglich zwei Polteilungen, vom zweiten Leiter­ strang 69 dagegen sechs Polteilungen dargestellt sind. Die symmetrischen Leiterelementenden weisen auf die Rückführungsvariante in versetzten Lagen hin. Als Besonderheit sind die Stege der Einheiten axial verbreitert, wodurch der Stegraum ausschließlich durch die Einheiten 70, 71, 72 genutzt wird, während sich die überschneidungsfreien Verbindungsleiter 75, 76, 77 auf den in Nuthöhe liegenden Verbindungskopfraum beschränken. Dabei verlaufen die Stege der Einheiten 70, 71, 72 radial sowohl oberhalb als auch unterhalb der Nuthöhe, womit es sich um eine Bauform mit O-förmigen Sektoren handelt. Die Enden 78 der Einheiten sind konisch ausgestaltet, wodurch die Aussparungen 79 der Verbindungsleiter die Nutstabenden von allen vier Seiten umschließen. Die beiden Leiterstränge 68, 69 bilden nach dem axialen Zusammenschieben kompakte, hohlraumfreie Verbindungsköpfe, wobei die Verbindungsleiter­ stegschichten 74 radial innerhalb der Einheitenstegschichten 73 liegen. Die beiden Leiter­ stränge sind identisch aufgebaut (gespiegelt), so daß der gesamte Leiteraufbau nur aus zehn Leiterelementbauformen (3E + 3V + 2W + 2A) besteht.

Fig. 7 zeigt alle drei Leiterstänge 80, 81 und 82 einer dreiphasigen Maschine ohne halbierte Verbindungsköpfe, wobei der mittlere Leiterstrang 81 vier Polteilungen umfaßt, während von den beiden äußeren Leitersträngen 80, 82 jeweils nur zwei Polteilungen links und rechts axial versetzt dargestellt sind. Die einzelnen Stegschichten sind axial zueinander mit einem fiktiven axialen Abstand zueinander gezeichnet, so daß die Bauformen der Leiterelemente ersichtlich werden. Es handelt sich um Leiterstränge mit achterförmigem Verlauf, was an den unsym­ metrischen Enden der zwölf Leiterelementbauformen 89 bis 100 erkennbar ist. Bei U-förmigen Sektoren ergeben sich jedoch bereits bei z_N = 3 durch die Schleifen Überschneidungspro­ bleme, weshalb zwei Verbindungsleiter 90, 91 der äußeren Stegschichten 83, 88 axial anein­ ander vorbeigeführt werden müssen. Allerdings können die Überschneidungen auf jeweils eine Stegschicht 83, 84, 88 eines Leiterstranges 80, 81, 82 begrenzt werden. Während in den beiden baugleichen äußeren Leitersträngen 80, 82 nur zwei Elemente in den Verbindungs­ leiterstegschichten 83, 88 axial hintereinander verlaufen, erfolgt die axiale Unterteilung im mittleren Leiterstrang 81 in allen drei Leiterelementen 95, 96, 97 der Stegschicht 84. Die drei Leiterelementbauformen in jeder Stegschicht können anhand der unterschiedlich dichten Schraffur gegeneinander abgegrenzt werden.

Fig. 8 zeigt einen Leiterstrang mit versetzten Lagen, wobei nun ein Ausschnitt gewählt wurde, der die beiden Wechselsektoren beinhaltet. Die Anschlußleiter 101 und 115 und die Wechselleiter 104, 107, 110 und 113 liegen in der äußersten Stegschicht 115 eines halbierten Verbindungskopfes aus einer vierphasigen Maschine mit fünf Nutstäben pro Nut. D.h. die axialen Leiterquerschnittsvergrößerungen 119 weisen in der Verbindungsleiterstegschicht 117 zum weichmagnetischen Körper und in der Einheitenstegschicht 118 von diesem weg. Weiterhin sind die Leiterquerschnittsvergrößerungen 119 der äußeren Stegschichten 117 um die Nutbreite breiter als die Leiterquerschnittsvergrößerungen der inneren Stegschichten 118 ausgeführt. Der Strom tritt durch Anschlußleiter 101 in den Leiterstrang ein, durchläuft dann in der ersten Lage, die ausschließlich durch eine Einheitenbauform 102 und eine Verbin­ dungsleiterbauform 103 gebildet wird, den gesamten Maschinenumfang und wechselt direkt bei der Anfangsnut durch den ersten Wechselleiter 104 in die zweite Lage. Diese wird nun wiederum durch zwei Leiterelemente 105 und 106 gebildet und durchläuft den gesamten Maschinenumfang in umgekehrter Richtung. Alle vier Wechselleiter 104, 107, 110, 113 sind am Ende ihrer Lage mit Nutstäben der Anfangsnut verbunden, wobei die letzte Lage, anstatt mit einem Wechselleiter direkt im zweiten Anschlußleiter 116 endet. Während die Anzahl der unterschiedlichen Leiterelementbauformen durch die beiden Wechselsektoren in der Ver­ bindungsleiterstegschicht 117 auf elf ansteigt (5V + 4W + 2A) weist die Einheitenstegschicht 118 nur fünf unterschiedliche Bauformen auf.

In Fig. 9, 10 und 11 wird der Aufbau und die Montage anhand einer vierphasigen, zwölf­ poligen Maschine mit halbierten Verbindungsköpfen und U-förmigen Sektoren dargestellt, wobei ein Leiterverlauf mit versetzten Lagen für nur drei Nutstäbe pro Nut gewählt wurde.

Fig. 9 zeigt die Seitenansichten der beiden Stegschichten 131, 132 eines Leiterstranges. Die rechts oben abgebildete Einheitenstegschicht 131 gehört zur inneren Hälfte des hinteren Verbindungskopfes und ist etwas kleiner dargestellt. Sie weist keine Wechselsektoren auf und besteht aus drei Einheitenbauformen 122, 125 und 128. Im Vordergrund unten links ist die zugehörige Verbindungsleiterstegschicht 132 dargestellt. Diese besteht neben drei Verbin­ dungsleiterbauformen 123, 126 und 129 aus zwei Wechselleitern 124 und 127 sowie zwei An­ schlußleitern 121 und 130. Insgesamt besteht der Leiterstrang somit aus zehn unterschied­ lichen Leiterbauformen (3E + 3V + 2W + 2A). Leiterelemente der gleichen Lage sind wieder im gleichen Winkel schraffiert.

Fig. 10 zeigt wie die Stegschicht 131 der inneren Verbindungskopfhälfte aus den drei Einheitenbauformen 122, 125 und 128 zusammengesetzt wird. Es wird deutlich wie beim Ineinanderschieben der Leiterteile ein selbsttragendes, stabiles Paket 133 entsteht, das den folgenden Montageprozeß in den weichmagnetischen Körper vereinfacht. Hierbei kann auch die zur gleichen Verbindungskopfhälfte gehörende zweite Einheitenstegschicht (nicht darge­ stellt) noch außerhalb des magnetischen Körpers ebenfalls als stabiles Paket angefügt werden.

Im oberen Teil von Fig. 11 wird die zur Einheitenstegschicht aus Fig. 10 gehörende Ver­ bindungsleiterstegschicht bereits zu einem kompakten Paket 136 zusammengeschoben darge­ stellt. Darunter befinden sich die Leiterelemente der zweitäußersten Stegschicht axial versetzt angeordnet, wobei die Leiterelemente einer Lage in einer axialen Ebene liegend dargestellt sind. Neben dem Prozeß des Zusammenschiebens wird ersichtlich, daß alle Leiterelemente der äußeren Verbindungskopfhälfte zusammen eine kompakte Scheibe bilden. Nach dem Ein­ schieben der Einheitenstegschichten 133 in den weichmagnetischen Körper werden diese Scheiben axial auf die Einheitenenden gepreßt. Auf die Darstellung der Aussparungen für die Nutstabenden wurde verzichtet. Die drei Bauformen der Verbindungsleiter 123, 126 und 129 sind in beiden Stegschichten aufgrund der symmetrischen Enden gleich. Auch die beiden An­ schlußleiter 121 und 130 sind baugleich. Lediglich die unsymmetrischen Wechselleiter 134, 135 sind unterschiedlich und erhöhen dadurch den Fertigungsaufwand. Der gesamte Leiter­ aufbau für die zugrundegelegte Maschine benötigt unabhängig von der Polpaarzahl fünfzehn Leiterelementbauformen (6E + 3V + 4W + 2A). Für einen entsprechenden Leiteraufbau mit achterförmigen Schleifen wären dagegen nur elf Leiterbauformen (6E+3V+2A) erforderlich.

Claims (21)

1. Mehrphasige elektrische Maschine mit in Nuten eines weichmagnetischen Körpers angeordneten achsparallelen Nutstäben, die untereinander zumindest auf einer Ma­ schinenseite durch angefügte Verbindungsleiter verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiterstrang (13, 17) eine der Anzahl der Nutstäbe pro Nut entsprechende Anzahl von Leiterlagen aufweist, wobei eine Lage (16) eines Leiterstranges (13) aus mindestens drei Nutstäben, die den gleichen Abstand zur Luftspaltoberfläche aufweisen und in unterschiedlichen Polteilun­ gen liegen, sowie deren Verbindungsleitern (3, 4) besteht, daß alle Nutstäbe einer Lage in Reihe geschaltet sind und an den beiden Enden jeder Lage entweder An­ schlußleiter (121, 130) oder Wechselleiter (104, 107, 110, 113) angeschlossen sind, wobei Wechselleiter (104, 107, 110, 113) Nutstäbe aufeinanderliegender Lagen ver­ binden, und daß die Verbindungsleiter (103, 106, 109, 112, 115) in Schichten (117) parallel zur Stirnseite des weichmagnetischen Körpers angeordnet sind.

2. Mehrphasige elektrische Maschine mit in Nuten eines weichmagnetischen Körpers angeordneten achsparallelen Nutstäben, die untereinander zumindest auf einer Ma­ schinenseite durch angefügte Verbindungsleiter verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiterstrang (41) Schleifen mit unterschiedlichem Drehsinn aufweist, wobei in der Reihenschaltung von Nutstäben dieses Leiterstranges, die in einer Nut liegen, jeweils nur ein Nutstab aus beiden benachbarten Polteilungen zwischengeschaltet ist und daß die Verbindungsleiter (31 bis 40) in Schichten (42, 43) parallel zur Stirnseite des weichmagnetischen Körpers angeordnet sind.

3. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Stromrichtung aufein­ anderliegender Lagen in den Verbindungsköpfen entgegengesetzt ist und Wechselleiter (124, 127) im Gegensatz zu den übrigen Verbindungsleitern (122, 126) unsymmetri­ sche Enden aufweisen.

4. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Verbindungsleiter (103, 109, 115), die Nutstäbe einer Nut mit Nutstäben einer in einer benachbarten Polteilung liegenden Nut verbinden, einen Sektor bilden, wobei die Anzahl der in Steghöhe axial hinterein­ ander geschichteten Sektoren in jedem der beiden Verbindungsköpfe der Anzahl der Nuten pro Polteilung entspricht.

5. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle tangential aufeinanderfolgenden Sektoren, deren Stege den gleichen mittleren Abstand zu einer Stirnfläche des weich­ magnetischen Körpers aufweisen zusammen eine ringförmige Stegschicht bilden, wobei sich die Anzahl der Verbindungsleiter (31 bis 40) in zwei tangential aufeinand­ erfolgenden Sektoren einer Stegschicht (42, 43) höchstens um einen Verbindungsleiter unterscheidet.

6. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiteraufbau in den Verbindungs­ köpfen selbsttragend ist, wobei die beiden Verbindungsköpfe jeweils zwei zu den Stirnseiten des weichmagnetischen Körpers parallele Oberflächen und einen rechteck­ förmigen Querschnitt aufweisen, in dem sich außer Leitermaterial nur dünne Klebe- und/oder Isolierschichten befinden.

7. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite Verbindungsleiter eines Leiterstranges (60) jeweils mit den beiden Nutstäben, mit denen er leitend verbunden ist, eine vorgefertigte Einheit (63 bis 66) bildet.

8. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stegschichten (54) mit Einheiten (63 bis 66) aus maximal zwei unterschiedlich aufgebauten Sektoren zusammengesetzt sind und alle Sektoren einer Verbindungskopfhälfte in axiale Richtung höchstens vier unterschiedliche Profile aufweisen, wobei die Stegschichten ohne Einheiten (117, 132) neben den Verbindungsleitersektoren höchstens zwei Sektoren mit Wechselleitern und Anschlußleitern aufweisen.

9. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt eines Leiterstranges (60, 68, 69) in Teilbereichen, in denen Verbindungsleiter mit den Enden der Nutstäbe zusammenfügt sind, in Umfangsrichtung größer als der Nutstabquerschnitt ist, wobei die Querschnittsvergrößerungen (67) axial eine größere Ausdehnung als der mittlere Bereich der Verbindungsleiter aufweisen.

10. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsvergrößerungen (67) eines Leiterstranges axial teilweise flächig an den Leiterquerschnittsvergrößerungen des Leiterstranges einer benachbarten Nut anliegen, wobei beide Leiterquerschnitts­ vergrößerungen gemeinsam die axiale Ausdehnung des Verbindungskopfes bilden.

11. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (78) der Einheiten (70, 71, 72) einen sich zum Ende hin konisch verjüngenden Querschnitt aufweisen und/oder die Aussparungen (79) für die Enden (78) der Einheiten in den sie verbindenden Ver­ bindungsleitern (75, 76, 77) mit zunehmendem Abstand zur Stirnseite des weichma­ gnetischen Körpers eine kleiner Querschnittsfläche aufweisen.

12. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungsleiter (75, 76, 77) in der Oberfläche mit dem größten Abstand zur Stirnfläche des weichmagnetischen Körpers, auf Höhe der Nuten von Leitermaterial umschlossene Öffnungen als die Aussparungen (79) für die Nutstabenden (78) aufweisen.

13. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiterstrang im weichmagnetischen Körper durch zwischengelagerte Isolierschichten in parallelgeschaltete Stromleiter aufgeteilt ist, wobei der Leiterstrang in den Verbindungsköpfen jedoch jeweils einen isolierschichtfreien Querschnitt aufweist.

14. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Anschlußleiter eines Leiterstranges direkt mit dem Anschlußleiter des zu einer benachbarten Nut gehö­ renden Leiterstranges verbunden ist.

15. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine mit in Nuten eines weichmagnetischen Körpers angeordneten achsparallelen Nutstäben, die unterein­ ander zumindest auf einer Maschinenseite durch angefügte Verbindungsleiter ver­ bunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungsleiter, die in zu den Stirnseiten des weichmagnetischen Körpers parallelen Schichten flächig angeordnet sind, mit den Nutstäben, mit denen sie elektrisch leitend verbunden werden, als Einheiten vorgefertigt und die Einheiten anschließend zu einem ringförmigen Ein­ heitenpaket zusammengesetzt, axial in den weichmagnetischen Körper geschoben werden.

16. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Nutstäbe mit einem ihrer Enden in eine den Verbindungsleiter entsprechende Form, in der sich geschmolze­ nes Leitermaterial befindet, gesteckt werden.

17. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung von Verbindungs­ leitersektoren durch Ineinanderschieben von mit Isolierschichten versehenen Profil­ stangen aus Leitermaterial, die anschließend auf etwa die halbe Verbindungskopfbreite gescheibt und im Bereich des Steges einseitig oder zweiseitig abgespant werden, erfolgt.

18. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleiter und Wechsel­ leiter einer Stegschicht tangential flächig aneinanderliegend zu einem Paket zusammen­ gesetzt werden, wobei die Leiter nur durch dünne Klebe- und/oder Isolierschichten von einander getrennt werden, und dieses scheibenförmige Pakete axial auf die Einheiten­ enden aufgeschoben wird.

19. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß beim axialen Aufpressen der Verbindungsleiter die Enden von Einheiten, die in einer Nut radial übereinander liegen, durch die Aussparungen in den Verbindungsleiterenden in unterschiedliche Richtungen verformt werden.

20. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindungen zwischen Nutstäben und Verbindungsleitern nachträglich durch Aufbringen zusätzlicher Schichten aus Leitermaterial in ihrer Leitfähigkeit verbessert werden.

21. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Verfahrensschritte oder der gesamte Montageprozeß vollautomatisch unter Schutzgas­ bedingungen stattfinden.