AT524330A4

AT524330A4 - Maschinenbauteil für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: AT524330A4
Application number: ATA51038/2020A
Authority: AT
Inventors: Eilenberger Dr Techn Andreas
Original assignee: Miba Emobility Gmbh
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2022-05-15
Also published as: DE112021006174A5; WO2022109647A1; AT524330B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Maschinenbauteil (1) für eine elektrische Maschine umfassend einen Bauteilkörper (2), in dem Nuten (4) ausgebildet sind, wobei in den Nuten (4) elektrische Leiter (7) angeordnet sind, die an axialen Enden der Nuten (4) aus dem Nuten (4) herausragen, und in zumindest einem herausragenden Bereich einander kreuzend angeordnet sind, und wobei die elektrischen Leiter (7) im Bereich außerhalb der Nuten mit zusätzlichen Isolierelementen (12) elektrisch gegeneinander isoliert sind, wobei die zusätzlichen Isolierelemente (12) ausschließlich zwischen den elektrischen Leitern (7) angeordnet und streifenförmig ausgebildet sind. Die zusätzlichen Isolierelemente (12) weisen eine Klebeschicht auf und sind damit auf Oberflächen von elektrischen Leitern (7) anhaftend angeordnet.

Description

ten mit zusätzlichen Isolierelementen elektrisch gegeneinander isoliert sind.

Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine umfassend einen Stator

und einen Rotor.

Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenbauteils für eine elektrische Maschine durch Bereitstellen eines Bauteilkörpers, in dem Nuten ausgebildet werden, wobei in den Nuten elektrische Leiter so angeordnet werden, dass sie an axialen Enden der Nuten aus den Nuten herausragen, und in zumindest einem herausragenden Bereich einander kreuzend angeordnet werden, und wobei die elektrischen Leiter im Bereich außerhalb der Nuten mit zusätzlichen

Isolierelementen elektrisch gegeneinander isoliert werden.

Damit in einem Stator oder einem Rotor einer elektrischen Maschine die Spannungs- und Teilentladefestigkeit zwischen zwei sich kreuzenden Formstäben einer Steckwicklung unterschiedlicher Phase im Wickelkopf erfüllt werden kann, ist eine entsprechende Isolierung vorzusehen. Da diese Isolierstärke in der Nut oft nicht erforderlich ist und jene Isolierstärke den Kupferfüllfaktor wesentlich negativ beein-

flusst, ist es von Vorteil in der Nut in Abhängigkeit der maximal auftretenden Span-

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den Wicklungen zusätzliche Isolierelemente angebracht.

Eine derartige Ausführung beschreibt beispielsweise die DE11 2013 004 258 T5. Aus dieser Druckschrift ist eine umlaufende elektrische Maschine bekannt, enthaltend einen Anker mit einem ringförmigen Ankerkern, in welchem Nuten am Umfang angeordnet sind; und eine Ankerwicklung, welche an dem Ankerkern befestigt ist, wobei die Ankerwicklung eine Vielzahl von Wicklungskörpern enthält, welche jeweils durch Wickeln eines Leiterdrahts, welcher mit einem Isolierüberzug überzogen ist, gebildet sind, und Isolierelemente, welche von dem Isolierüberzug

verschieden ist.

Die EP 1 401 085 A2 beschreibt einen Elektromotor, umfassend: einen Statorkern mit Schlitzen; Spulen, die entlang der Schlitze des Statorkerns angeordnet sind, um Spulenkanten zu bilden, die von den Enden des Statorkerns vorstehen; und Isolierfolien zum Isolieren von proximalen Abschnitten der Spulenkanten, wobei jede der Isolierfolien einen Umhüllungsabschnitt zum Umfalten einer oder mehrerer Spulen derselben Phase aufweist und Einfügungsabschnitte, die in einen

Schlitz oder Schlitze des Statorkerns eingeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein eine elektrische Wicklung aufwei-

sendes Bauteil zu verbessern.

Die Aufgabe der Erfindung wird bei dem eingangs genannten Maschinenbauteil dadurch gelöst, dass die zusätzlichen Isolierelemente ausschließlich zwischen den

elektrischen Leitern angeordnet sind.

Zudem wird die Aufgabe der Erfindung mit der eingangs genannten elektrischen

Maschine gelöst, die das erfindungsgemäße Maschinenbauteil umfasst.

Weiter wird die Erfindung mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, nach dem vorgesehen ist, dass die zusätzlichen Isolierelemente ausschließlich zwi-

schen den elektrischen Leitern angeordnet werden.

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men bzw. eindringen kann.

Zur weiteren Verbesserung des reduzierten Bauraumbedarfs kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die zusätzlichen Isolierelemente streifenförmig ausgebildet sind. Es ist damit möglich,

die Isolierelemente ausschließlich entlang der elektrischen Leiter anzuordnen.

Von Vorteil ist gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung auch, wenn die zusätzlichen Isolierelemente auf Oberflächen von elektrischen Leitern anhaftend angeordnet sind, da damit aufgrund der verringerten Gefahr des Verrutschens der zusätzlichen Isolierelemente deren Flächenausdehnung reduziert wer-

den kann.

Eine weitere Reduktion des Bauraumbedarfs kann nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung dadurch erreicht werden, dass die Anzahl an zusätzlichen Isolierelementen maximal der Hälfte der Anzahl an elektrischen Leitern ent-

spricht.

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von maximal 400 um aufweisen.

Zur einfacheren Anordnung der zusätzlichen Isolierelemente kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die elektrischen Leiter als Formstäbe mit zumindest annähernd viereckigen Querschnitt ausgebildet sind.

Bevorzugt ist nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass zwischen jeweils zwei elektrischen Leitern nur ein zusätzliches Isolierelement angeordnet ist. Es weist also nicht jeder elektrischen Leiter im Kreuzungsbereich ein zusätzliches Isolierelement auf, sondern können die zusätzlichen Isolierelemente auf nur einer von zwei übereinander liegenden Lagen der elektrischen Leiter angeordnet werden. Es ist damit auch eine Vereinfachung der Montage des Wickelkopfs erreichbar, da ein größerer Anteil an elektrischen Leitern nicht mit den zusätzlichen Isolierelementen ausgerüstet wird, womit Bearbeitungszeit eingespart

werden kann.

Bevorzugt sind die zusätzlichen Isolierelemente gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung zwischen übereinander und/oder nebeneinander liegenden elektri-

schen Leitern angeordnet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden

Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein Maschinenbauteil mit einem Teil von elektrischen Leitern in einer

Schrägansicht;

Fig. 2 das Maschinenabteil nach Fig. 1 in Seitenansicht; Fig. 3 einen Ausschnitt des Maschinenbauteils in Bereich des Wickelkopfs;

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Bereich des Wickelkopfs.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lage-

angaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Maschinenbauteil 1 für eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine ist insbesondere ein Motor, kann aber auch anders ausgeführt sein, wie beispielsweise als Generator. Das Maschinenbauteil 1 kann insbesondere ein Stator oder ein Rotor der elektrischen Maschine sein, wobei sowohl der Stator als auch der Rotor einer elektrischen Maschine durch das Maschinen-

bauteil 1 gebildet sein können.

Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Maschinenbauteil 1 ist als Stator der elektrischen Maschine ausgebildet. Die nachfolgenden Ausführungen sind daher entsprechend zu adaptieren, falls das Maschinenbauteil 1 als Rotor ausgeführt ist. Da diese Adaptierung, wie beispielsweise die Anordnung von Nuten, dem Fachmann bekannt ist, wird im Folgenden nicht extra darauf hingewiesen. Diese Adaptierun-

gen sind daher mitzulesen.

Das Maschinenbauteil 1 weist einen Bauteilkörper 2 auf. Der Bauteilkörper 2 ist insbesondere ein Blechpaket, kann aber auch anders ausgebildet sein. Der Bauteilkörper 2 weist in der dargestellten Ausführungsvariante die Form eines Hohlzylinders auf. Im Bauteilkörper 2 sind nebeneinander in einer Umfangsrichtung 3 verteilt Nuten 4 ausgebildet. Beginnend an einer inneren Oberfläche 5 erstrecken sich die Nuten 4 radial nach außen. In Richtung einer Längsmittelachse 6 (Rotations-

achse) erstrecken sich die Nuten 4 durch den gesamten Bauteilkörper 2.

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in Fig. 1 nur ein Teil der elektrischen Leiter 7 exemplarisch dargestellt ist.

Der Bauteilkörper 2 weist eine erste Stirnfläche 8 und ein dieser in Richtung der

Längsmittelachse 6 gegenüberliegende zweite Stirnfläche 9 auf.

Die elektrischen Leiter 7 weisen Leiterenden 10 auf, mit denen sie an axialen Ende der Nuten 7, die jeweils in den Stirnflächen 8, 9 ausgebildet sind, aus den Nuten 7 herausragen. Die Leiterenden 10 von gleichen Phasen werden dabei zusammengeführt. Dies kann beispielsweise durch so weiters Umbiegen der Leiterenden 10 erfolgen, dass sich die Leiterenden 10 von einer Nut 7 bis in eine andere Nut 7 (phasenabhängig) erstrecken, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Es ist aber auch möglich, dass die Leiterenden 10 Endbereiche 11 aufweisen, an denen zwei Leiterenden 10 entsprechen phasenabhängig aneinander anliegen um in diesen Endbereichen 11 elektrisch leitend miteinander verbunden zu werden, insbesondere stoffschlüssig, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, die einen Ausschnitt aus einer

Ausführungsvariante des Maschinenbauteils 1 zeigt.

Zur Ausbildung einer kompakten Wicklung/Anordnung der elektrischen Leiter 7 (d.h. eines kompakten Wickelkopfs) sind die Leiterenden 10 in und gegen die Umfangsrichtung 3 umgebogen. Die konkrete Ausführung der Wicklung ist dabei abhängig vom gewünschten Wickelschema, das je nach Ausführung des Maschinenbauteils 1 unterschiedlich sein kann. Derartige Wickelschemata sind aus dem Stand der Technik bekannt, sodass darauf zur Vermeidung von Wiederholungen nicht weiter darauf eingegangen wird. Es sei daher auf den einschlägigen Stand

der Technik dazu verwiesen.

Durch das Umbiegen der Leiterenden 10 überkreuzen sich die Leiterenden 10 (wie dies aus den Fig. 1 bis 4 erkennbar ist), womit die Gefahr der gegenseitigen

Berührung besteht. Um dies zu verhindern, sind die an sich außen bereits mit ei-

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Die Anordnung der zusätzlichen Isolierelement 12 kann zwischen zwei in radialer Richtung übereinander liegender elektrischer Leiter 7 (wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt) und/oder zwischen elektrischen Leitern 7, die in einer Lage von elektrischen Leitern 7 gleicher radialer Höhe unmittelbar nebeneinander liegen, vorgesehen sein. Die zusätzlichen Isolierelemente 12 sind also im so genannten Wickel-

kopf zwischen elektrischen Leitern 7 unterschiedlicher Phase vorgesehen.

Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass üblicherweise auch in den Nuten 7 elektrische Isolierelemente vorgesehen werden, beispielsweise aus Papier. Es kann dabei vorgesehen werden, dass die zusätzlichen elektrischen Isolierelemente 12 einen Teil der elektrischen Isolierelemente in den Nuten 7 bilden. Vorzugsweise sind die zusätzlichen elektrischen Isolierelemente 12 aber zusätzlich zu der vorhandenen bzw. verwendeten elektrischen Isolation der elektrischen

Leiter 7 im Nutbereich vorgesehen.

Die zusätzlichen Isolierelemente 12 können sich über zumindest annähernd den gesamten Bereich der in Bezug auf die Umfangsrichtung 3 schräg umgebogenen elektrischen Leiter 7 erstrecken, wobei dieser Bereich bevorzugt den gesamten Überdeckungsbereich der einander kreuzenden Leiterenden 10 der elektrischen Leiter 7 abdeckt. Die zusätzlichen Isolierelemente 12 können aber auch auf die Kreuzungsbereiche der einander kreuzenden elektrischen Leiter 7 beschränkt sein, oder sie können sich über die Leiterenden 10 hinaus bis in die Nuten 7 hinein

erstrecken und dort einen Teil der Nutenisolation bilden. Letzteres ist aber dann

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Die Schichtdicke der zusätzlichen Isolierelemente 12 kann insbesondere maximal

400 um, insbesondere zwischen 80 um und 300 um, betragen.

Die zusätzlichen Isolierelemente 12 prinzipiell aus jedem geeigneten Material bestehen. Beispielsweise können sie aus einem Polyamid, eine Polyimid, PEEK, PPS, PPSU, PESU, PAI, PEI, PTFE, Mica, oder einer Materialkombinationen ähn-

lichen elektrische isolierenden Werkstoffen sein.

Vorzugsweise weisen die zusätzlichen Isolierelemente 12 eine Klebeschicht auf, sodass sie auf der Oberfläche der elektrischen Leiter 7 anhaftend angeordnet wer-

den können.

In der bevorzugten Ausführungsvariante sind die zusätzlichen Isolierelemente 12

streifenförmig ausgebildet, beispielsweise aus einem Klebeband hergestellt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Anzahl an zusätzlichen Isolierelementen 12 maximal der Hälfte der Anzahl an elektrischen Leitern 7 entspricht. Insbesondere kann die Anzahl an zusätzlichen Isolierelementen 12 zwischen N/2 und N/9 betragen, wobei N die Gesamtanzahl an

elektrischen Leiterenden 10 ist, die aus den Nuten 4 herausragen.

Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass von einander überkreuzenden elektrischen Leitern 7 die jeweils radial äußeren Oberflächen der radial weiter innen liegenden Lage an elektrischen Leitern 7 mit den zusätzlichen Isolierelementen 12 versehen werden. Es ist aber auch möglich, dass die radial innen liegenden Oberflächen der jeweils radial äußeren Lage an elektrischen Leitern 7 mit den zu-

sätzlichen Isolierelementen 12 versehen werden.

Es ist auch möglich, dass sowohl die radial äußeren Oberfläche der inneren Lage an elektrischen Leitern 7 und die radial inneren Oberflächen der radial äußeren

Lage an elektrischen Leitern 7 mit den zusätzlichen Isolierelementen 12 versehen

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sätzliches Isolierelement 12 angeordnet ist.

In der bevorzugten Ausführungsvariante sind die elektrischen Leiter 7 als Formstäbe mit zumindest annähernd viereckigen Querschnitt ausgebildet (als sogenannte Hairpins). Die elektrischen Leiter 7 können aber auch einen runden

Querschnitt aufweisen.

Die zusätzlichen elektrischen Isolierelemente 12 sind vorzugsweise nicht breiter als die elektrischen Leiter 7 an der Oberfläche, an der die elektrischen Isolierele-

mente 12 angeordnet werden, wie dies aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist.

Weiter sind die elektrischen Isolierelemente 12 vorzugsweise als Streifen ausgeführt, die gegen die Umfangsrichtung geneigt zwischen den Leitern angeordnet sind. Der Neigungswinkel richtet sich dabei nach den elektrischen Leitern 7. Sind diese in Richtung der Längsmittelachse 6 verlaufend angeordnet, verlaufen auch die streifenförmigen zusätzlichen Isolierelemente 12 in dieser Richtung (also in einem Winkel von 90 ° zur Umfangsrichtung). Sind die elektrischen Leiter 7 gegen die in der Umfangsrichtung 3 geneigt, folgen die zusätzlichen Isolierelemente 12 auch dieser Neigung. Generell kann also gesagt werden, dass vorzugsweise die elektrischen Isolierelement dem Verlauf der elektrischen Leiter 7 in den Leiteren-

den 10 folgend angeordnet werden.

In der bevorzugten Ausführungsvariante sieht die Erfindung insbesondere vor, dass die Phasenisolation bevorzugt jeweils einseitig und für jeden elektrischen

Leiter 7 separat mittels eines Streifen realisiert wird.

Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch diverse Kombinationen der ein-

zelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.

Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus das Maschinenbauteil nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt ist.

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Maschinenbauteil Bauteilkörper Umfangsrichtung Nut

Oberfläche Längsmittelachse Leiter Stirnfläche Stirnfläche Leiterende Endbereich Isolierelement Oberfläche Lage

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Bezugszeichenliste

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Claims

Patentansprüche

1. Maschinenbauteil (1) für eine elektrische Maschine umfassend einen Bauteilkörper (2), in dem Nuten (4) ausgebildet sind, wobei in den Nuten (4) elektrische Leiter (7) angeordnet sind, die an axialen Enden der Nuten (4) aus dem Nuten (4) herausragen, und in zumindest einem herausragenden Bereich einander kreuzend angeordnet sind, und wobei die elektrischen Leiter (7) im Bereich außerhalb der Nuten mit zusätzlichen Isolierelementen (12) elektrisch gegeneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Isolierelemente (12)

ausschließlich zwischen den elektrischen Leitern (7) angeordnet sind.

2. Maschinenbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die zusätzlichen Isolierelemente (12) streifenförmig ausgebildet sind.

3. Maschinenbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Isolierelemente (12) auf Oberflächen von elektrischen

Leitern (7) anhaftend angeordnet sind.

4. Maschinenbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an zusätzlichen Isolierelementen (12) maximal der

Hälfte der Anzahl an elektrischen Leitern (7) entspricht.

5. Maschinenbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Isolierelemente (12) eine Schichtdicke von ma-

ximal 400 um aufweisen.

6. Maschinenbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (7) als Formstäbe mit zumindest annä-

hernd viereckigen Querschnitt ausgebildet sind.

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7. Maschinenbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei elektrischen Leitern (7) nur ein zusätzli-

ches Isolierelement (12) angeordnet ist.

8. Maschinenbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Isolierelemente (12) zwischen übereinander

und/oder nebeneinander liegenden elektrischen Leitern (7) angeordnet sind.

9. Elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator und/oder der Rotor als Maschinenbauteil (1) ent-

sprechend einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Maschinenbauteils (1) für eine elektrische Maschine durch Bereitstellen eines Bauteilkörpers (2), in dem Nuten (4) ausgebildet werden, wobei in den Nuten (4) elektrische Leiter (7) so angeordnet werden, dass sie an axialen Enden der Nuten (4) aus den Nuten (4) herausragen, und in zumindest einem herausragenden Bereich einander kreuzend angeordnet werden, und wobei die elektrischen Leiter (7) im Bereich außerhalb der Nuten (4) mit zusätzlichen Isolierelementen (12) elektrisch gegeneinander isoliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Isolierelemente (12) ausschließ-

lich zwischen den elektrischen Leitern (7) angeordnet werden.

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