DE102009037581A1

DE102009037581A1 - Nutkeil und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102009037581A1
Application number: DE102009037581A
Authority: DE
Inventors: Sven Martin; Gerd Dr. Stöhr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Nutkeil (6), wobei in den Nutkeil (6) ein Magnetfeldsensor (9) integriert ist oder der Nutkeil (6) als Magnetfeldsensor (9) ausgebildet ist sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Nutkeil (6).

Description

Die Erfindung betrifft einen Nutkeil, der eine Statornut verschließt, sowie eine elektrische Maschine.
Elektrische Maschinen, insbesondere permanent erregte Elektromotoren, weisen einen Stator und einen Rotor auf. Der Stator solcher Maschinen umfasst dabei in der Regel mehrere Statornuten, in denen so genannte Erregerwicklungen angeordnet sind. Ein Stromfluss durch die Erregerwicklungen erzeugt ein magnetisches Feld des Stators, welches z. B. mit einem magnetischen Feld des Rotors zusammenwirkt. Durch eine geeignete Ansteuerung verschiedener Statorwicklungen kann somit eine Rotation des Rotors über das Zusammenwirken der Magnetfelder erreicht werden. Um die Erregerwicklungen in den Statornuten zu fixieren bzw. ein Herausrutschen der Erregerwicklungen aus den Statornuten zu verhindern, werden so genannte Nutkeile in die Nuten eingebracht. Die Nutkeile verschließen dabei eine Öffnung der Statornut. Nutkeile können verschiedene geometrische Formen aufweisen, insbesondere können Nutkeile pyramidenförmig oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein.
Die US-A 4 200 818 offenbart einen Nutkeil, welcher derart ausgebildet ist, dass er in Windungsnuten einer dynamoelektrischen Maschine angeordnet werden kann. Der Nutkeil umfasst dabei einen Kern aus Glasfasern.
Eine wichtige Voraussetzung für die Steuerung von Elektromaschinen ist die Erfassung eines Rotorwinkels des Rotors. Hierzu können u. a. Magnetfeldsensoren vorgesehen sein, die das Magnetfeld des Rotors erfassen und daraus den Rotorwinkel berechnen. Insbesondere kann das Magnetfeld des Rotors von einem oder mehreren Hall-Sensoren erfasst werden. In der Regel werden solche Magnetfeldsensoren in der näheren Umgebung eines Rotorlagers angeordnet. Ein weiterer Ansatz besteht darin, die Magnetfeldsensoren im Stator oder in der Nähe des Stators anzuordnen.
Die US-A 4 847 527 offenbart eine Vorrichtung zur präzisen Positionierung mindestens eines Hall-Sensors in einer dynamoelektrischen Maschine. Dabei ist der Hall-Sensor in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse weist mindestens einen Positionierzapfen auf, der aus dem Gehäuse herausragt. Diese Positionierzapfen werden in Nuten des Stators eingesetzt. Somit wird erreicht, dass der Hall-Sensor eine feste Position bezüglich des Stators und des Rotors einnimmt. Nachteilig ist jedoch, dass ein weiteres Bauteil am Stator angeordnet werden muss.
Die GB 2 345 586 A offenbart einen elektrischen Motor, der einen Stator mit Multiphasenwindungen und einen Statorkern umfasst. Der Statorkern weist eine Anzahl von sich radial nach außen erstreckenden Zähnen auf, die eine Anzahl von Nuten ausbilden. Weiterhin umfasst der elektrische Motor einen Rotor mit einer Anzahl von Magneten, die mit einem vom Stator erzeugten magnetischen Feld zusammenwirken, um eine Rotation des Rotors zu bewirken. Weiterhin umfasst die elektrische Maschine einen Hall-Sensor, welcher in einer der Nuten angeordnet ist und das Magnetfeld der Magnete des Rotors misst und ein Signal zur Verfügung stellt, wobei das Signal eine Rotationsposition des Rotors hinsichtlich des Stators enthält. Hierbei wird der Hall-Sensor an einer bestimmten Position in der Statornut auf den Erregerwindungen bzw. einer Isolierung der Erregerwindungen angebracht. Die Position wird somit durch die Rückstellelastizität der Erregerwindungen bzw. des Isolationsmaterials konstant gehalten. Hierbei stellt sich jedoch das Problem, dass bei Bewegungen des Stators, z. B. in Folge von dynamischen Beschleunigungsvorgängen des Rotors bzw. äußeren Anregungen, der Hall-Sensor seine Position verändern oder verrutschen kann und somit zumindest zeitweise ein verfälschtes Signal liefert.
Es stellt sich daher das technische Problem, einen Magnetfeldsensor derart in einer elektrischen Maschine anzuordnen, dass dessen Position auch bei Bewegungen des Stators konstant bleibt und keine weiteren Bauteile am Stator angeordnet werden müssen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierbei ist in einen Nutkeil ein Magnetfeldsensor integriert oder ist der Nutkeil als Magnetfeldsensor ausgebildet. Durch diese Art der Integration eines Magnetfeldsensors sind keine weiteren Bauteile am Stator bzw. an einer Elektromaschine notwendig, um einen Magnetfeldsensor anzuordnen. Die Integration des Magnetfeldsensors in den Nutkeil ermöglicht eine feste Positionierung des Magnetfeldsensors hinsichtlich eines Rotors einer Elektromaschine. Dabei wird vorausgesetzt, dass der Nutkeil fest in einer Statornut fixiert ist.
Die feste Fixierung kann beispielsweise über Klemmen und/oder andere kraftschlüssige Verbindungen von Nutkeil und Stator erfolgen. Diese Art der Integration des Magnetfeldsensors ist sowohl für elektrische Maschinen, die als Innenläufer ausgebildet sind, als auch für Maschinen, die als Außenläufer ausgebildet sind, möglich. Weiterhin ergibt sich durch die Integration eine Kosten- und Bauraumeinsparung, da keine weiteren Bauteile am Stator bzw. an der elektrischen Maschine vorgesehen werden müssen. Ein weiterer Vorteil der offenbarten Erfindung ist, dass der Magnetfeldsensor durch die Integration in den Nutkeil mechanisch geschützt ist, beispielsweise vor mechanischen Einwirkungen und/oder Verschmutzung.
Der Magnetfeldsensor kann dabei beispielsweise ein Hall-Sensor sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Nutkeil zumindest teilweise aus Glasfasergewebe und/oder Kunststoff. Hiermit wird in vorteilhafter Weise eine vereinfachte Integration des Magnetfeldsensors in den Nutkeil ermöglicht. Weiterhin kann durch einen derart ausgebildeten Nutkeil eine verbesserte Führung von magnetischen Feldlinien eines Magnetfelds des Stators erreicht werden.
Erfindungsgemäß umfasst eine elektrische Maschine mindestens einen Stator und einen Rotor, wobei der Stator mindestens eine Statornut, mindestens eine Statorwicklung und mindestens einen Magnetfeldsensor umfasst, wobei die Statorwicklung und der Magnetfeldsensor in der Statornut angeordnet sind und der Rotor mindestens einen Magneten mit einem Magnetfeld des Rotors aufweist, welches mit einem magnetischen Feld des Stators zusammenwirkt, wobei mindestens ein Nutkeil mindestens eine Statornut verschließt, wobei der Magnetfeldsensor in den mindestens einen Nutkeil integriert ist oder diesen ausbildet. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Magnetfeldsensor in der Nähe des Rotors angeordnet ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass das vom Nutkeil zu verschließende Ende der Statornut zum Rotor hin orientiert ist.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Statornut mit einem Nutkeil.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Stators 1 einer nicht dargestellten elektrischen Maschine. Der Stator umfasst eine Statornut 2. In der Statornut 2 sind Stator- bzw. Erregerwicklungen 3 angeordnet, wobei die Erregerwicklungen 3 von Isolationsschichten 4 umgeben sind. Die Wicklungen 3 und die jeweiligen Isolationsschichten 4 sind durch Trennschichten 5 voneinander bzw. vom Boden der Statornut 2 und von einem Nutkeil 6 getrennt. Der Nutkeil 6 verschließt dabei die Statornut 2 an einem oberen Ende der Statornut 2. Dabei kontaktieren die Ränder des Nutkeils 6 die Innenflächen der Statornut 2. In 1 ist dargestellt, dass der Nutkeil eine pyramidenstumpfförmige Form aufweist. Die Statornut 2 weist an ihrem oberen Ende eine Öffnung auf, die derart ausgebildet ist, dass der pyramidenstumpfförmige Nutkeil 6 in diese Öffnung eingebracht werden kann. Die pyramidenstumpfförmige Ausbildung verhindert dabei, dass der Nutkeil 6 seine Position in der Statornut 2 verändern kann.
Weiterhin ist dargestellt, dass der Nutkeil 6 aus einer äußeren Schicht 7 und einer inneren Schicht 8 besteht. Die äußere Schicht 7 kann beispielsweise aus ferromagnetischem Material bestehen. Die innere Schicht 8 kann beispielsweise aus Glasfasergewebe bestehen. In der inneren Schicht 8 ist ein Magnetfeldsensor 9, beispielsweise ein Hall-Sensor, angeordnet. Der Hall-Sensor erfasst dabei z. B. ein Magnetfeld von Permanentmagneten eines nicht dargestellten Rotors, woraus dann ein Rotorwinkel bestimmt werden kann. Der Hall-Sensor 9 verfügt über Kontakte 10, über welche eine Spannung des Hall-Sensors 9 abgegriffen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4200818 A [0003]
- US 4847527 A [0005]
- GB 2345586 A [0006]

Claims

Nutkeil (6), dadurch gekennzeichnet, dass in den Nutkeil (6) ein Magnetfeldsensor (9) integriert ist oder der Nutkeil (6) als Magnetfeldsensor (9) ausgebildet ist.
Nutkeil (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) ein Hall-Sensor ist.
Nutkeil (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutkeil (6) zumindest teilweise aus Glasfasergewebe und/oder Kunststoff besteht.
Elektrische Maschine, umfassend mindestens einen Stator (1) und einen Rotor, wobei der Stator (1) mindestens eine Statornut (2), mindestens eine Statorwicklung (3) und mindestens einen Magnetfeld-Sensor (9) umfasst, wobei die Statorwicklung (3) und der Magnetfeldsensor (9) in der Statornut (2) angeordnet sind, und der Rotor mindestens einen Magneten mit einem Magnetfeld des Rotors aufweist, welches mit einem magnetischen Feld des Stators (1) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Nutkeil (6) mindestens eine Statornut (2) verschließt, wobei der Magnetfeldsensor (10) in den mindestens einen Nutkeil (6) integriert ist oder diesen ausbildet.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) das Magnetfeld des Rotors misst.