DE102011080959A1

DE102011080959A1 - Außenläufermaschine mit Statorsegmenten

Info

Publication number: DE102011080959A1
Application number: DE102011080959A
Authority: DE
Inventors: Markus Klöpzig; Peter Kummeth; Heinz Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-08-16
Also published as: WO2013023908A3; WO2013023908A2; DE102011080959B4

Abstract

Es soll eine stabilere elektrische Maschine mit verbesserter Leistungsdichte vorgeschlagen werden. Hierzu wird eine elektrische Maschine mit einem Außenläufer (1) und einem Innenstator (2) bereitgestellt, der mit dem Außenläufer (1) koaxial angeordnet ist. Der Innenstator (2) weist einen Träger (9) auf, an dessen Umfang mehrere Statorsegmente jeweils einzeln, in radialer Richtung kraftschlüssig, direkt an dem Träger befestigt sind. Dadurch ergibt sich ein sehr stabiler Stator (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Außenläufer und einem Innenstator, der mit dem Außenläufer koaxial angeordnet ist.
In elektrischen Maschinen und insbesondere in Elektromotoren für Fahrzeuganwendungen wie Hybridfahrzeuge oder E-Cars wird durch die Verwendung von segmentierten Statoren die Statorfertigung wesentlich vereinfacht und verbilligt. Aus technischer Sicht ist durch die Verwendung von segmentierten Statoren eine höhere Packungsdichte der Wicklung und damit der Bau von Maschinen mit deutlich höherer Leistungsdichte bzw. geringerer Baugröße möglich.
Benötigt man aufgrund der effektiveren Bauraumnutzung (unter Berücksichtigung von Schnittstellenanforderungen des Fahrzeugherstellers) eine Außenläufer-Maschine, so befindet sich der Stator innerhalb des Rotors. Damit stehen die Statorsegmente radial nach außen (Richtung Rotor) und können nicht durch ein umhüllendes Gehäuse gehalten werden, sondern müssen auf andere Weise fixiert werden.
Beim Bau von Elektromotoren mit Innenläufer und segmentiertem Stator wird typischerweise der Ring aus mehreren Statorsegmenten in ein Statorgehäuse eingepresst. Dies ist aufgrund des geometrischen Aufbaus einer Außenläufer-Elektromaschine nicht möglich.
Aus der Druckschrift DE 10 2008 050 450 A1 ist ein Stator für einen Außenläufermotor bekannt. Der Stator umfasst identische Statorsegmente, die in Umfangsrichtung aufeinander folgend über Formschlussverbindungen zusammengehalten sind. Jedes Statorsegment umfasst ein Polteil mit einem Fußabschnitt, einem Armabschnitt und einem Kopfabschnitt, die zusammen ähnliche Geometrie aufweisen, wie ein Wickelkörper. Auf die Polteile werden Einzelwicklungen aufgewickelt, wodurch man identische Statorsegmente erhält, die dann zusammengesetzt werden. Die auf den Stator wirkenden Radialkräfte müssen dabei von den Formschlussverbindungen aufgenommen werden. Dies kann unter Umständen zu Stabilitätsproblemen führen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, die einen Außenläufer besitzt und deren segmentierter Innenstator stabiler aufgebaut ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Außenläufer und einem Innenstator, der mit dem Außenläufer koaxial angeordnet ist, wobei der Innenstator einen Träger aufweist, an dessen Umfang mehrere Statorsegmente jeweils einzeln, in radialer Richtung kraftschlüssig, direkt an dem Träger befestigt sind.
In vorteilhafter Weise ist also jedes Statorsegment nicht nur an seinen benachbarten Segmenten fixiert, sondern unmittelbar an dem Träger. Somit kann der Träger die wesentlichen radialen Kräfte auf die Statorsegmente direkt aufnehmen. Darüber hinaus wird so ein guter thermischer Kontakt zwischen Statorsegmenten und Statorträger erreicht.
Vorzugsweise besitzt jedes Statorsegment ein Blechpaket mit genau einem Zahn, auf den eine Spule gewickelt ist. Dies hat den Vorteil, dass die einzelnen Statorsegmente wesentlich einfacher, insbesondere automatisiert bewickelt werden können. Alternativ kann ein Statorsegment natürlich auch mehrere Zähne aufweisen, die dann entsprechend aufwändiger zu bewickeln sind.
Darüber hinaus kann mindestens eines der Statorsegmente eine Nut, die zu einem benachbarten der Statorsegmente gerichtet ist, und das benachbarte Statorsegment eine korrespondierende Feder aufweisen, wobei die beiden Statorsegmente durch die Nut und die Feder formschlüssig miteinander verbunden sind.
Damit werden die einzelnen Statorsegmente nicht nur unmittelbar durch den Träger, sondern auch durch die benachbarten Statorsegmente in Position gehalten.
Der Träger kann insbesondere ringförmig ausgebildet sein. Derartige Träger können kostengünstig hergestellt werden, und sie besitzen außerdem eine sehr hohe Festigkeit.
Alternativ kann der Träger auch die Form eines Polygons besitzen. Dies hat den Vorteil, dass der Kopf eines Statorpols eben gefertigt werden kann.
Darüber hinaus kann jedes Statorsegment eine radial nach innen zur Achse der elektrischen Maschine gerichtete Befestigungsnut mit Hinterschneidung aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass jedes Statorsegment durch einen einfachen Formschluss radial an dem Träger gehalten werden kann.
Die Befestigungsnut ist günstigerweise an einem Abschnitt des jeweiligen Statorsegments angeordnet, der beim Betrieb der elektrischen Maschine magnetisch weniger belastet ist als die meisten anderen Abschnitte des Statorsegments. Hierdurch wird der magnetische Kreis im Stator durch die Befestigungsnut am wenigsten beeinträchtigt. Eine besonders vorteilhafte Stelle für die Befestigungsnut liegt mittig über einem Polzahn im Kopf des Pols.
Vorzugsweise ist in der Nut ein Nutstein angeordnet, der mit der Hinterschneidung der Befestigungsnut einen Formschluss eingeht. Ein derartiger Nutstein ist für die Montage leicht in die Nut einzuführen und sollte aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sein.
Ferner kann der Nutstein mit einem Bolzen an dem Träger befestigt sein. Ein derartiger Bolzen ist leicht zu montieren und kann in ausreichendem Maße die radialen Kräfte aufnehmen.
Vorteilhaft ist außerdem, wenn der Bolzen und der Nutstein miteinander verschraubt sind. Derartige Verschraubungen lassen sich mit geringem Aufwand realisieren.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine senkrecht zur Maschinenachse; und
2 einen Ausschnitt von 1 mit dem Statorträger und einem einzelnen Statorsegment.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Entsprechend dem Beispiel von 1 ist eine Außenläufermaschine mit einem Außenläufer 1 und einem Innenstator 2 vorgesehen. Der Außenläufer 1 besitzt am Innenumfang verteilt Permanentmagnete 3, die zum Innenstator 2 gerichtet sind.
Der Stator 2 weist im vorliegenden Beispiel exemplarisch sechs Statorsegmente 4 auf. Diese Anzahl ist natürlich genauso veränderbar wie die Anzahl der Permanentmagnete 3 am Außenläufer 1.
Jedes Statorsegment 4 weist ein Blechpaket 5 auf (vergleiche 2). Mit dem Blechpaket 5 ist ein Polzahn 6 ausgebildet, auf den eine Wicklung gewickelt wird, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Der Polzahn 6 ist radial nach außen zum Außenläufer 1 hin mit einem Polschuh 7 und radial nach innen mit einem Zahnkopf 8 begrenzt. Der Zahnkopf 8 ist hier unmittelbar auf einem Statorträger 9 befestigt, der hier ringförmige Gestalt besitzt. An diesem Statorträger 9 sind gemäß 1 die mehreren Statorsegmente 4 einzeln befestigt. Der Übersicht halber ist in 2 lediglich ein einzelnes Statorsegment 4 auf dem ringförmigen Statorträger 9 befestigt. Alternativ kann der Statorträger 9 auch eine andere Geometrie, z. B. polygonförmig, besitzen.
In dem in den Figuren dargestellten Beispiel enthält das Blechpaket 5 jedes Statorsegments 4 eine Befestigungsnut 10, die in Stapelrichtung des Blechpakets 5 bzw. in axialer Richtung der elektrischen Maschine verläuft und eine Hinterschneidung besitzt. Die Befestigungsnut 10 verläuft über die gesamte Dicke des Blechpakets 5. In der Befestigungsnut 10 findet ein Nutstein 11 Platz, der sich ebenfalls über die gesamte Blechpaketlänge erstreckt und der eine oder mehrere Gewinde besitzt.
Die Statorsegmente 4 werden auf dem Statorträger 9 befestigt, indem von innen Schrauben 12 durch den Statorträger 9 in die Gewinde der Nutsteine 11 geschraubt werden. Somit werden die Blechpakete 5 der Statorsegmente 4 durch die Schrauben 12 radial nach innen auf den Trägerring 9 gezogen und fixiert. Durch die feste Verschraubung wird auch ein guter thermischer Kontakt zwischen Blechpaket 5 und Statorträger 9 erreicht.
Die Befestigungsnut 10 ist in einem magnetisch schwach belasteten Bereich des Eisenkreises ausgeführt. Der magnetische Fluss in dem Polzahn 6 teilt sich nämlich in Richtung zur linken Hälfte des Zahnkopfes 8 und zur rechten Hälfte des Zahnkopfes 8. Die Befestigungsnut 10 liegt genau zwischen diesen beiden Zahnkopfhälften. Demzufolge ist die Reduktion des Drehmoments aufgrund der Befestigungsnut 10 sehr gering und kann durch Ausführung von ferromagnetischen Nutsteinen 11 nochmals verringert werden.
Seitlich an den Statorsegmenten 4, insbesondere an den Zahnköpfen 8 befinden sich auf einer Seite eine Nut 13 und auf der in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Seite eine Feder 14. Dadurch werden die Statorsegmente 4 gut zueinander ausgerichtet und erhalten zusätzliche Stabilität in der ringförmigen Anordnung. Sollte sich die Befestigung eines Statorsegments 4 während des Betriebs der Maschine lockern, so wird dieses Segment aufgrund der beschriebenen Anordnung weiterhin durch die benachbarten Segmente in seiner Position gehalten.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Befestigung der Statorsegmente 4 auf dem Statorträger 9 nicht durch eine Verschraubung sondern durch Verschweißen oder Hartlöten von Statorträger 9 und Bolzen zum Halten der Statorsegmente 4 (in den Figuren nicht dargestellt). Dabei ist darauf zu achten, dass die Blechpakete 5 der Statorsegmente 4 gut auf den Statorträger 9 gepresst und in dieser Position gehalten werden (gegebenenfalls durch eine geeignete Hilfsvorrichtung), bis die Verschweißung bzw. Verlötung der beiden Komponenten abgeschlossen ist. Nur so kann garantiert werden, dass neben dem guten mechanischen Halt auch eine gute thermische Verbindung zwischen Statorsegmenten 4 und Statorträger 9 erreicht wird. Die Nutensteine 11 bleiben also erhalten und werden zusätzlich mit nach innen gerichteten Bolzen ausgeführt. Diese Bolzen können dann mit dem Trägerring verschweißt oder verlötet werden.
In vorteilhafter Weise ist also durch die Befestigung von Statorsegmenten 4 auf dem Statorträger 9 die Möglichkeit erschlossen, eine Außenläufermaschine mit segmentiertem Stator 2 zu fertigen. Derartige Elektromotoren können in Hybridfahrzeugen und sogenannten E-Cars eingesetzt werden. So wird es möglich, eine platzsparende und hocheffiziente Elektromaschine zu entwickeln, die zumindest unter gewissen Randbedingungen, welche beispielsweise von einem Kraftfahrzeughersteller definiert werden, gegenüber einer Innenläufermaschine Bauraumvorteile aufweist.
Der segmentierte Stator 2 erlaubt außerdem eine wesentlich einfachere und damit kostengünstigere Fertigung von Statoren für Elektromotoren. Zur Fertigung reichen weniger aufwändige Wickelmaschinen aus. Die Wicklungen können zudem schneller hergestellt werden.
Durch die einfachere Zugänglichkeit des Wickelraums der segmentierten Statorblechpakete wird auch eine bessere Ausnutzung des Wickelraums und damit eine größere Wicklungsdichte erreicht. Damit kann eine Elektromaschine mit höherer Leistungsdichte (im Vergleich zu konventionellen Statoren) gebaut werden, da der verfügbare Wicklungsraum effizienter genutzt wird. Durch die höhere Leistungsdichte im Vergleich zu Maschinen mit konventionellen Statoren wird ermöglicht, dass hocheffiziente Elektromaschinen mit geringerer Baugröße realisiert werden. Die segmentierte Ausführung spart ferner Material, da die Ausnutzung des Blechs beim Stanzen wesentlich höher ist. Darüber hinaus ist eine automatisierte Fertigung eines solchen Stators einfacher möglich als bei einer Einzelwicklung oder bei nicht segmentiert ausgeführten Statoren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008050450 A1 [0005]

Claims

Elektrische Maschine mit – einem Außenläufer (1) und – einem Innenstator (2), der mit dem Außenläufer (1) koaxial angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Innenstator (2) einen Träger (9) aufweist, an dessen Umfang mehrere Statorsegmente (4) jeweils einzeln, in radialer Richtung kraftschlüssig, direkt an dem Träger befestigt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei jedes Statorsegment (4) ein Blechpaket (5) mit genau einem Zahn (6) aufweist, auf den eine Spule gewickelt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eines der Statorsegmente (4) eine Nut (13), die zu einem benachbarten der Statorsegmente gerichtet ist, und das benachbarte Statorsegment eine korrespondierende Feder (14) aufweist, und wobei die beiden Statorsegmente durch die Nut und die Feder formschlüssig miteinander verbunden sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (9) ringförmig ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Träger (9) eine Polygonform besitzt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Statorsegment (4) eine radial nach innen zur Achse der elektrischen Maschine gerichtete Befestigungsnut (10) mit Hinterschneidung aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, wobei die Befestigungsnut (10) an einem Abschnitt des jeweiligen Statorsegments angeordnet ist, der beim Betrieb der elektrischen Maschine magnetisch weniger belastet ist als die meisten anderen Abschnitte des Statorsegments.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, wobei in der Befestigungsnut (10) ein Nutstein (11) angeordnet ist, der mit der Hinterschneidung der Befestigungsnut einen Formschluss eingeht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei der Nutstein (11) mit einem oder mehreren Bolzen (12) an dem Träger (9) befestigt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, wobei der oder die Bolzen (12) und der Nutstein (11) miteinander verschraubt sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der oder die Bolzen (12) und der Nutstein (11) einteilig gestaltet sind und der oder die Bolzen am Träger (9) mittels einer oder mehrerer Muttern befestigt oder angeschweißt sind.