Automatisierter Entwurf von Haarnadelwicklungen anhand von tabellarischen Belegungsplänen

Zusammenfassung

Für den Aufbau elektrischer Traktionsantriebe werden zunehmend Profilleiter eingesetzt, um die Drehmoment- und Leistungsanforderungen bei begrenztem Bauraum einzuhalten. Vor allem Haarnadelwicklungen sind für die Anwendung im Bereich der Elektromobilität attraktiv, da sich diese durch einen hohen Nutfüllfaktor, einen kurzen Wicklungskopf und einen hoch automatisierbaren Fertigungsprozess auszeichnen.

Durch Stromverdrängung entstehen jedoch vor allem bei Profilleitern zusätzliche Verluste. Um diese zu reduzieren, können parallele Zweige bei gleicher spannungshaltender Windungszahl ausgeführt werden, was eine Realisierung geringerer Leiterhöhen bei gleichen Leiterbreiten und einen Rückgang der Stromverdrängung zur Folge hat. Wicklungen mit parallelen Zweigen bergen allerdings stets die Gefahr der Ausbildung von Kreisströmen innerhalb der parallelen Wicklungszweige. Durch die geeignete Schaltung der Einzelleiter können die Kreisströme eliminiert werden.

In diesem Artikel wird ein automatisiertes Entwurfswerkzeug für Haarnadelwicklungen vorgestellt, welches alle Wicklungskonfigurationen in Form von tabellarischen Belegungsplänen für unterschiedliche Polzahl-Nutzahl-Kombinationen ausgibt. Aufgrund der großen Anzahl von Schaltungsmöglichkeiten stellen vor allem die Unterdrückung der Kreisströme und die Identifizierung der Vor- und Nachteile der einzelnen Wicklungsvarianten eine Herausforderung dar. Daher werden Gütekriterien entwickelt und in die Software implementiert, um eine übersichtliche Bewertung zu ermöglichen.

Abstract

Hairpin windings are being used increasingly in electric traction motors to reach high torque and power requirements within a limited installation space. Hairpin windings in particular are attractive for automotive applications since they have high slot fill factor, short end windings and enable a highly automated manufacturing process. However, their high current displacement effects may be a drawback. These can be reduced by realizing parallel branches while keeping the same number of effective turns per phase. Thereby the conductor height is decreased which results in a smaller current displacement effect. Realizing windings with parallel branches involves the risk of developing circulating branch currents. These can be eliminated by an appropriate connection of the conductors.

This article presents an automated design tool for hairpin windings, which generates all possible winding configurations as winding diagrams for different combinations of number of poles and slots. The suppresion of circulating currents and the identification of advantages and disadvantages of each winding present a challenge due to the high amount of connecting options. Therefore, quality factors are developed and implemented into the software, which allow a clear evaluation.