DE102013222400A1

DE102013222400A1 - Zahnisolierungsmaske für eine elektrische Maschine sowie Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102013222400A1
Application number: DE102013222400.1A
Authority: DE
Inventors: Steven Andrew Evans
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-05-21
Also published as: CN104617697A; FR3012924B1; FR3012924A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zahnisolierungsmaske (30) für einen Zahn (12) einer elektrischen Maschine (1), insbesondere eines Elektromotors (1) oder Generators (1), zum elektrischen Isolieren einer Nut (14) eines Stators (10) und/oder Rotors der Maschine (1), wobei die Zahnisolierungsmaske (30) derart ausgebildet ist, dass bei einem Vorsehen einer Wicklung (20) um die auf dem den Zahn (12) vorsehbare Zahnisolierungsmaske (30) herum, mittels eines Wicklungsdrahts (22) der Wicklung (20) oder der Wicklung (20) eine mechanische Strecken-(q) und/oder Flächenlast (q) auf den Zahn (12) ausübbar ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Stator (10) oder Rotor einer elektrischen Maschine (1), insbesondere eines Elektromotors (1) oder Generators (1), mit einem Zahn (12) und einer am Zahn (12) vorgesehenen Zahnisolierungsmaske (30) zum elektrischen Isolieren einer Nut (14) des Stators (10) oder Rotors, wobei eine Wandung (34) der Zahnisolierungsmaske (30) in einem Mittenabschnitt (342) in Axialrichtung (A) und/oder Umfangsrichtung (U) des Stators (10) bzw. Rotors dicker ausgebildet ist als in einem Eckabschnitt (344) der Wandung (34). Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine (1), insbesondere Elektromotor (1) oder Generator (1), wobei die Maschine (1) eine erfindungsgemäße Zahnisolierungsmaske (30) und/oder einen erfindungsgemäßen Stator (10) oder Rotor aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnisolierungsmaske für einen Zahn einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors oder Generators, zum elektrischen Isolieren einer Nut eines Stators oder Rotors der Maschine. Ferner betrifft die Erfindung einen Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor oder einen Generator.
Stand der Technik
Eine herkömmliche Zahnisolierungsmaske, die auch als Nutisolierungsmaske bezeichnet werden kann, dient einer elektrischen Isolierung von Zähnen bzw. Nuten/Nutschlitzen eines Stators oder Rotors einer elektrischen Maschine. Eine Dicke einer solchen Zahnisolierungsmaske an den Zähnen in den Nuten des Stators oder Rotors ist entlang einer gesamten Länge jeweils in Axialrichtung und Umfangsrichtung der Maschine konstant. Für eine funktionstüchtige elektrische Maschine ist auf den Zahnisolierungsmasken eine Gesamtwicklung vorgesehen oder auf die Zahnisolierungsmasken wird eine Wicklung aufgebracht.
Ist ein Draht, z. B. ein Kupferdraht, der Wicklung mit entsprechendem Drahtzug um einen Zahn gewickelt, entstehen in der betreffenden Nut des Stators oder Rotors zwischen der Kupferwicklung und der Zahnisolierungsmaske sowie zwischen der Zahnisolierungsmaske und z. B. einem Lamellenpaket des Stators oder Rotors direkt entlang dessen Zähnen parasitäre Luftspalte. Diese Luftspalte verringern eine Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wicklung und dem Lamellenpaket an den Zahnflanken der Zähne beträchtlich. Ferner beeinträchtigt ein solcher thermisch nur schwach leitender Pfad die Eigenschaften einer Wärmeabfuhr der Wicklung, was zu einer elektrischen Maschine mit einer geringeren Drehmomentdichte führt.
Aufgabenstellung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Zahnisolierungsmaske für einen Zahn einer elektrischen Maschine anzugeben. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Stator und/oder Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben. Hierbei soll bei gleichen Abmessungen der Maschine bzw. ihres Stators und/oder Rotors eine Drehmomentdichte im Vergleich mit dem Stand der Technik verbessert sein. Insbesondere soll eine thermische Leitfähigkeit zwischen den Wicklungen und den Zähnen der Maschine verbessert sein. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine entsprechend verbesserte elektrische Maschine anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Zahnisolierungsmaske für einen Zahn einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors oder Generators, zum elektrischen Isolieren einer Nut eines Stators und/oder Rotors der Maschine, gemäß Anspruch 1; mittels eines Stators und/oder Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors oder Generators, gemäß Anspruch 3; und mittels einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Elektromotor oder Generator, gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Die erfindungsgemäße Zahnisolierungsmaske ist derart ausgebildet, dass bei einem Vorsehen einer Wicklung um die auf einem Zahn vorsehbare Zahnisolierungsmaske herum mittels eines Wicklungsdrahts der Wicklung oder der Wicklung eine mechanische Strecken- und/oder Flächenlast auf den Zahn ausübbar ist. Hierbei ist die Strecken- und/oder Flächenlast auf eine sich in Hochrichtung des Zahns erstreckende Zahnflanke ausübbar, wobei sich die Zahnflanke in Hoch- und Längsrichtung und/oder in Hoch- und Querrichtung des Zahns erstrecken kann. Die Wandung der Zahnisolierungsmaske kann gemäß der Erfindung z. B. wenigstens teilweise ballig, bogenabschnittsförmig, kreisabschnittsförmig oder ellipsenabschnittsförmig ausgebildet sein.
In Ausführungsformen der Erfindung kann die Zahnisolierungsmaske einen Zahn eines Stators oder Rotors der Maschine aufweisen. Hierbei kann der Zahn Teil des Stators oder Rotors sein, wobei der Zahn an einem Segment des Stators oder Rotors vorgesehen sein kann. In letzteren beiden Fällen kann das Segment des Stators oder Rotors Teil der Zahnisolierungsmaske oder vice versa sein. Die Zahnisolierungsmaske selbst kann einen Kunststoff, einen Isolierungslack, ein Isolierungsharz, ein Silikon oder einen Gummi aufweisen. Ferner kann die Zahnisolierungsmaske wie eine Zahnisolierungsmaske eines erfindungsgemäßen Stators oder Rotors (siehe im Folgenden) ausgebildet sein.
Der erfindungsgemäße Stator oder Rotor weist wenigstens einen Zahn und eine am Zahn vorgesehene Zahnisolierungsmaske zum elektrischen Isolieren des Zahns bzw. einer Nut des Stators oder Rotors auf. Gemäß der Erfindung ist eine Wandung der Zahnisolierungsmaske in einem Mittenabschnitt in Axialrichtung und/oder Umfangsrichtung des Stators bzw. Rotors dicker ausgebildet als in einem End- oder Eckabschnitt der Wandung. Der Stator oder Rotor kann ein segmentierter und/oder laminierter Stator oder Rotor sein. Ein integraler oder einstückiger oder ein anderer Stator oder Rotor ist natürlich ebenfalls anwendbar. – Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst eine erfindungsgemäße Zahnisolierungsmaske und/oder einen erfindungsgemäßen Stator oder Rotor.
In Ausführungsformen der Erfindung kann ein Dickenverlauf der Wandung der Zahnisolierungsmaske im Mittenabschnitt derart ausgebildet sein, dass mittels einer auf der Zahnisolierungsmaske vorsehbaren oder vorgesehenen Wicklung oder einem Wicklungsdraht der Wicklung, eine dort nach innen gerichtete mechanische Kraft auf die Zahnisolierungsmaske und/oder den Zahn ausübbar ist bzw. ausgeübt wird. Die Dicke der Wandung eines betreffenden Mittenabschnitts, nimmt bevorzugt von einem Längende dieses Mittenabschnitts ausgehend in Längsrichtung dieses Mittenabschnitts zunächst zu- und in Richtung des anderen Längendes dieses Mittenabschnitts wieder ab (Dickenverlauf).
Bevorzugt nimmt die Dicke der Wandung des betreffenden Mittenabschnitts, abgesehen von einem in diesem Mittenabschnitt vorgesehenen Spalt, über eine gesamte Erstreckung dieses Mittenabschnitts hinweg insbesondere zunächst kontinuierlich zu und dann wieder kontinuierlich ab (Dickenverlauf). Hierbei ist es bevorzugt, dass ein Krümmungsradius einer äußeren Begrenzung der Wandung entweder konstant ist, oder der Krümmungsradius an einem Längende bzw. beiden Längsenden des betreffenden Mittenbereichs im Wesentlichen maximal ist und in einem Bereich oder einer Stelle dazwischen im Wesentlichen minimal ist.
Der Bereich oder die Stelle mit dem maximalen Krümmungsradius, also bzw. oder der Bereich oder die Stelle der Wandung, wo diese am dicksten ist, liegt dabei bevorzugt auf einem halben Weg von einem Längsende des Mittenabschnitts zum anderen Längsende dieses Mittenabschnitts. Bevorzugt weist ein Querschnitt der Wandung in einer Schnittebene (siehe unten) eine einzige Spiegelachse auf. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können beide im Wesentlichen parallel in Axialrichtung verlaufenden Wandungen einer einzelnen Zahnisolierungsmaske im Vergleich mit einem Eckabschnitt einen dickeren Durchmesser oder größeren Radius besitzen (Dickenverlauf). Dies kann analog alternativ oder zusätzlich auf beide im Wesentlichen parallel in Umfangsrichtung verlaufenden Wandungen angewendet werden.
In einer bevorzugt in Axialrichtung und Umfangsrichtung des Stators oder Rotors bzw. bevorzugt in Längsrichtung und Querrichtung des Zahns aufgespannten, ggf. gekrümmten, Schnittebene des Zahns kann, abgesehen von einem in der Zahnisolierungsmaske vorgesehenen Spalt, der Mittenabschnitt wenigstens teilweise ballig, bogenabschnittsförmig, kreisabschnittsförmig oder ellipsenabschnittsförmig ausgebildet sein. Hierbei kann eine Innenseite des Mittenabschnitts dem Zahn angepasst sein. Ferner ist die Innenseite der Wandung bevorzugt geradlinig bzw. geradflächig ausgebildet. Eine maximale Dicke der Wandung im Mittenabschnitt kann beispielsweise um das ca. 1,25- bis über das ca. 4-fache größer sein als eine minimale Dicke der Wandung im Eckabschnitt.
Gemäß der Erfindung kann die Zahnisolierungsmaske in der Schnittebene bezüglich eines Zentrums des Zahns im Wesentlichen punktsymmetrisch ausgebildet sein. Ferner kann die Zahnisolierungsmaske in der Schnittebene bezüglich einer Rotationsachse (Fläche) des Zahns im Wesentlichen spiegelsymmetrisch ausgebildet sein. In Ausführungsformen der Erfindung kann die Zahnisolierungsmaske als eine einteilige oder mehrteilige, insbesondere zweiteilige, Zahnisolierungsmaske ausgebildet sein. Kommt eine mehrteilige Zahnisolierungsmaske zur Anwendung, so ist es bevorzugt, dass diese im Wesentlichen identische Zahnisolierungsteilmasken umfasst. Die Zahnisolierungsmaske kann aus einem Kunststoff, einem Isolierungslack, einem Isolierungsharz, einem Silikon oder einen Gummi hergestellt sein.
Gemäß der Erfindung erhöht sich die Dicke der Zahnisolierungsmasken an den Zähnen bzw. in den Nuten des Stators und/oder Rotors von einem axialen Endbereich zur axialen Mitte der Polzähne bzw. Nuten z. B. um einen Faktor von ca. zwei. Dadurch kann beispielsweise ein Kupferdraht einer Wicklung, wenn dieser mit entsprechendem Drahtzug um den mittels der Zahnisolierungsmaske isolierten Zahn gewickelt ist, entlang der gesamten axialen Länge der elektrischen Maschine eine nach innen gerichtete mechanische Kraft auf die Zahnisolierungsmaske ausüben. Hierdurch sind parasitäre Luftspalte zwischen der Kupferwicklung und der Zahnisolierungsmaske sowie zwischen der Zahnisolierungsmaske und z. B. einem Lamellenpaket des Stators und/oder Rotors verkleinert.
Die Verkleinerung der parasitären Luftspalte erhöht die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wicklung und dem Stator bzw. Rotor, z. B. dessen Lamellenpaket. Dies reduziert eine Temperatur der Wicklungen bei vorgegebenem Kupferverlust, wodurch eine Lebensdauer der Wicklung und der Zahnisolierungsmaske verlängert ist. Ferner können gemäß der Erfindung höhere Kupferverluste in Bezug auf eine vorgegebene maximale Temperatur der Wicklung realisiert sein, was eine Drehmomentdichte der elektrischen Maschine erhöht. D. h. bei gleichen Abmessungen der Maschine bzw. ihres Stators und/oder Rotors ist die Drehmomentdichte im Vergleich mit dem Stand der Technik verbessert.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Bauteile oder Elemente, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in den Figuren (Fig.) der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. In den detaillierten Fig. der Zeichnung zeigen:
1 eine zentrale Radialschnittansicht eines herkömmlichen Stators für eine elektrische Maschine aus dem Stand der Technik;
2 eine Umfangsschnittansicht durch einen Zahn des Stators aus 1, mit einer um den Zahn herum befindlichen herkömmlichen Zahnisolierungsmaske, auf welcher eine Wicklung vorgesehen ist;
3 ein Detail aus der 2, welches parasitäre Luftspalte zwischen dem Zahn und der Zahnisolierungsmaske sowie zwischen der Zahnisolierungsmaske und der Wicklung verdeutlicht;
4 eine Darstellung analog zu 2, wobei jedoch zwischen dem Zahn und der Wicklung eine erfindungsgemäße Zahnisolierungsmaske vorgesehen ist; und
5 eine Darstellung analog zu 3 mit deutlich verkleinerten bzw. minimierten parasitären Luftspalten zwischen der erfindungsgemäßen Zahnisolierungsmaske aus 4 und dem Zahn sowie der Wicklung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch einen herkömmlich isolierten und gewickelten Stator 10 einer elektrischen Maschine 1 mit bevorzugt gebündelten Einzelzahn-Wicklungen 20. Der Stator 10 kann segmentiert sein, wobei zum Aufbau des vollständigen Stators 10 ein jedes Zahnsegment vor der Montage mit den anderen Zahnsegmenten abschnittsweise elektrisch isoliert und mit einer Wicklung 20 versehen wird. Ferner kann der Stator 10 als ein einstückiges Lamellenpaket (vgl. Lamellen 100 bzw. Blechlamellen 100 in den 3 und 5) ausgebildet sein, wobei die Wicklungen 20 mit einer Wickelnadel auf die mittels einer Zahnisolierungsmaske 30 elektrisch isolierten Zähne 12 bzw. Polzähne 12 des Stators 10 in den Nuten 14 bzw. Nutschlitzen 14 des Stators 10 aufgebracht werden. Die Zahnisolierungsmaske 30 ist oft auch als Nutisolierungsmaske 30 bezeichnet.
Ein Aufbau der Zahnisolierungsmasken 30 kann unterschiedlich sein und hängt z. B. davon ab, welche der oben beschriebenen Statoranordnungen angewendet wird. Bei segmentierten Statoren 10 können zwei Zahnisolierungshalbmasken 32 jeden einzelnen Zahn 12 umfänglich in Radialrichtung R bedecken, und bei einstückigen Statoren 10 können zwei Zahnisolierungshalbmasken den gesamten Stator 10, mit Ausnahme der Außenoberfläche und der Bohrung, bedecken. – Die 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Zahn 12, wobei der bevorzugt laminierte Zahn 12, dessen Wicklung 20 und dessen beide Zahnisolierungshalbmasken 32 sichtbar sind. Die Zahnisolierungshalbmasken 32 werden axial auf den jeweiligen Zahn 12 aufgebracht, insbesondere aufgeschoben, wobei im montierten Zustand ein kleiner Spalt 35 zwischen zwei zugehörigen Zahnisolierungshalbmasken 32 verbleibt, um einer axialen Toleranz des betreffenden laminierten Zahns 12 und der Zahnisolierungshalbmasken 32 Rechnung zu tragen.
Wird die Wicklung 20 bzw. Spule 20 mit einer vorgegebenen mechanischen Kraft bzw. einer Zugspannung um den jeweiligen isolierten Zahn 12 gewickelt, so wird z. B. ein Kupferdraht 22 der Wicklung 20 innerhalb seines elastischen Bereichs geringfügig gedehnt. Hierdurch entsteht eine nach innen gerichtete mechanische Kraft auf die vier Ecken der isolierten Zähne 12, was durch die vier Pfeile in der 2 verdeutlicht ist. Diese nach innen gerichtete Kraft schließt an den Ecken die dort ehemals vorhandenen parasitären Luftspalte punktuell zwischen dem Kupferdraht 22 und der Zahnisolierungsmaske 30 sowie zwischen der Zahnisolierungsmaske 30 und dem laminierten Zahn 12 (vgl. 3). Das Schließen der Luftspalte verbessert an diesen vier Stellen die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wicklung 20 und dem Zahn 12.
Es verbleiben jedoch entlang der Axialseiten der Zähne 12 im Bereich der Nuten 14 parasitäre Luftspalte 40, da der Kupferdraht 22 in diesen Bereichen keinen nach innen gerichteten Druck auf die Zahnisolierungsmaske 30 und den Zahn 12 ausüben kann, um die Luftspalte 40 zu schließen. Der Kupferdraht 22 verläuft hier einfach neben der Zahnisolierungsmaske 30. Dies verringert entlang der vergleichsweise großflächigen Axialseiten die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wicklung 20 und dem Zahn 12 deutlich. – Die 3 zeigt ein Detail von 2, wobei die Luftspalte 40 sichtbar sind. Dieser thermisch schlecht leitende Pfad beeinträchtigt die Wärmeableitung aus der betreffenden Wicklung 20, was einen elektrischen Strom in der Wicklung 20 bezüglich einer vorgegebenen Maximaltemperatur der Wicklung 20 begrenzt, was wiederum eine Drehmomentdichte der elektrischen Maschine 1 begrenzt.
Die 4 zeigt einen Querschnitt in Axial-A und Umfangsrichtung U des Stators 10 durch einen Zahn 12 bzw. Polzahn 12 bei Anwendung der Erfindung. Eine Radialrichtung R steht senkrecht auf der Axial-A und Umfangsrichtung U. Die Erfindung betrifft dabei eine Erhöhung einer Dicke einer Wandung 34 der Zahnisolierungsmaske 30 von einem axialen Endbereich 344 bzw. -abschnitt 344 (Eckbereich 344 bzw. -abschnitt 344) zu einem axialen Mittenbereich 342 bzw. -abschnitt 342 des Zahns 12, der Nut 14 bzw. der Wandung 34. Korrespondierend zur Axial-A, Umfangs-U und Radialrichtung R ergeben sich eine Längs-A, Hoch-R und Querrichtung U des betreffenden Zahns 12. – In der Zeichnung ist lediglich eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, es ist natürlich möglich, die Erfindung auf andere Ausführungsformen anzuwenden (siehe auch unten). So ist es z. B. insbesondere möglich, die Erfindung auch auf einen Rotor anzuwenden.
In 4 ist die Dicke der Wandung 34 insgesamt um ca. den Faktor von zwei stetig erhöht; der Faktor der stetigen Erhöhung kann jedoch beliebig sein und liegt bevorzugt im Bereich zwischen ca. 1,5 und ca. 3. Durch eine erfindungsgemäße Auslegung der Zahnisolierungsmaske 30 kann der Kupferdraht 22 der Wicklung 20, wenn er um die isolierten Zähne 12 gewickelt wird/ist, eine nach innen gerichtete mechanische Kraft als eine mechanische Strecken-q oder Flächenlast q auf die Zahnisolierungsmaske 30 und somit den Zahn 12 ausüben. Bevorzugt wird diese Strecken-q oder Flächenlast q auf die Zahnisolierungsmaske 30 entlang der gesamten axialen Länge der Nuten 14 ausgeübt, wie es in der 4 mittels der dort dargestellten Pfeile verdeutlicht ist.
Diese Strecken-q oder Flächenlast q verkleinert die parasitären Luftspalte 40 zwischen der Wicklung 20 und der Zahnisolierungsmaske 30 sowie zwischen der Zahnisolierungsmaske 30 und den z. B. laminierten Statorzähnen 12 (siehe 5), wodurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wicklung 20 und einem Lamellenpaket des Stators 10 verbessert ist. Hierdurch verringert sich entweder eine Temperatur in der Wicklung 20 in Bezug auf einen gegebenen Kupferverlust, wodurch sich eine Lebensdauer der Wicklung 20 und/oder der Zahnisolierungsmaske 30 verlängert, oder der Kupferverlust kann in Bezug auf eine vorgegebene maximale Temperatur in der Wicklung 20 erhöht sein, wodurch sich die Drehmomentdichte der elektrischen Maschine 1 erhöht.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für elektrische Maschinen 1 mit einer vergleichsweise kurzen axialen Abmessung, da sich in Bezug auf eine vorgegebene Erhöhung der Dicke der Zahnisolierungsmaske 30 ausgehend vom axialen Eckabschnitt 342 (mit einem minimalem Durchmesser der Wandung 34) hin zum Mittenabschnitt 342 (bis auf einen maximalem Durchmesser der Wandung 34), sich ein Winkel α bei einer Verringerung der axialen Länge des Stators 10 vergrößert. Dies ist vorteilhaft, da ein größerer Winkel α die Strecken-q bzw. Flächenlast q erhöht, welche der unter mechanischer Spannung stehende Wicklungsdraht 22, welcher nicht unbedingt aus Kupfer sein muss, auf die Zahnisolierungsmaske 30 ausübt, um die Luftspalte 40 zu schließen. 5 zeigt ein Detail von 4, wobei die parasitären Luftspalte 40 aus dem Stand der Technik vollständig geschlossen sind (Idealfall).
Ein Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik ist im Folgenden angegeben. Obwohl eine Dicke einer Zahn- bzw. Nutisolierung durch den dickeren Mittenabschnitt 342 der Zahnisolierungsmaske 30 vergrößert ist, sind die thermischen Vorteile der kleineren parasitären Luftspalte 40 offensichtlich. Im Idealfall ist ein Wärmewiderstand bei Einsatz der Erfindung um ca. 74% verringert. Werden die Luftspalte 40 durch den Einsatz der Erfindung nur um 50% verkleinert, ist der Wärmewiderstand noch immer um ca. 33% verkleinert. – Ferner ergibt sich durch den Einsatz der Erfindung eine geringfügige Erhöhung einer Länge des Wicklungsdrahts 22, wodurch die Kupferverluste geringfügig vergrößert sind. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wicklung 20 und dem Lamellenpaket des Stators 10 dies deutlich überkompensiert.
Der Wärmewiderstand aufgrund von Wärmeübergängen zwischen der Wicklung 20 und dem Lamellenpaket des Stators 10 in den Nuten 14 des Stators 10 gemäß dem Stand der Technik (vgl. 3) berechnet sich wie folgt:
Der Wärmewiderstand aufgrund der Wärmeleitung zwischen der Wicklung 20 und dem Lamellenpaket des Stators 10 in den Nuten 14 des Stators 10 gemäß der Erfindung (vgl. 5) berechnet sich im Idealfall zu:
jeweils mit
L als einer Länge und A einer Fläche eines betreffenden thermischen Pfads, K einer thermischen Leitfähigkeit eines betreffenden Materials, m als Index für die Zahnisolierungsmaske 30 (Kunststoff), s als Index für das Lamellenpaket des Stators 10, w als Index für die Wicklung 20 und air als Index eines Luftspalts 40.
Bei Anwendung folgender Materialeigenschaften und Abmessungen bei einer Temperatur von ca. 27°C von k_air = 0,0262 W/m/°C, k_m = 0,25 W/m/°C, L_air(w-m) = 0,1 mm, L_air(m-s) = 0,1 mm, L_m(S.d.T.) = 0,4 mm, L_m(Erfindung) = 0,6 mm (Durchschnittsdicke entlang der axialen Länge), A = 200 mm² (10 mm Zahnschafthöhe, 20 mm axiale Zahnlänge) ergeben sich die Wärmewiderstände zwischen der Wicklung 20 und dem Lamellenpaket des Stators 10 in den Nuten 14 wie folgt: Stand der Technik (mit parasitären Luftspalten 40) zu 46 °C/W (= 100%), Erfindung (Idealfall, keine Luftspalte 40) zu 12 °C/W (= 26%) sowie Erfindung (50% Verringerung der Luftspalte 40) zu 31 °C/W (= 67%). D. h. der erfindungsgemäße Wärmewiderstand beträgt im Idealfall nur 26% des Wärmewiderstands im Stand der Technik.
Die erläuterte erfindungsgemäße Dickenzunahme der Wandung 34 im Mittenabschnitt 342 kann analog auch auf eine oder beide in Umfangsrichtung U verlaufende Wandungen 34 der Zahnisolierungsmaske 30 angewendet sein. – Die Zahnisolierungsmaske 30 selbst, kann einteilig oder mehrteilig sein. Kommt eine mehrteilige, insbesondere eine zweiteilige, Zahnisolierungsmaske 30 zur Anwendung, so weist diese bevorzugt identische Zahnisolierungsteil- 32 bzw. halbmasken 32 auf (vgl. 4). – Bevorzugt ist die Zahnisolierungsmaske 30 aus einem Kunststoff, einem Isolierungslack, einem Isolierungsharz, einem Silikon oder einem Gummi hergestellt.
Unter einem Mittenabschnitt 342 oder -bereich 342 der Wandung 34 der Zahnisolierungsmaske 30 soll ein beliebiger Abschnitt der Wandung 34 in Axialrichtung A (Längsrichtung eines Zahns 12) bzw. in Umfangsrichtung U (Querrichtung eines Zahns 12) verstanden sein, welcher einen End- 344 bzw. Eckabschnitt/-bereich 344 der Zahnisolierungsmaske 30 nicht umfasst. Dies ist in der 4 mit den geschweiften Klammern 342 verdeutlicht, welche an einem jeweilig freien Ende in Axialrichtung A bzw. in Umfangsrichtung U verlängert oder verkürzt werden kann (Doppelpfeile). – Bevorzugt liegt ein Mittenabschnitt 342 symmetrisch bezüglich einer Außenabmessung des betreffenden Zahns 12. Ferner ist es bevorzugt, dass der Mittenabschnitt 342 seinen dicksten Wandungsdurchmesser bzw. größten Wandungsradius im Wesentlichen auf einem halben Weg von seinem einen zu seinem anderen Längsende besitzt.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auslegung von Zahnisolierungsmasken für Statoren und Rotoren. Eine Dicke einer Zahnisolierungsmaske an einem Zahn bzw. in einer Nut erhöht sich von wenigstens einem axialen und/oder umfänglichen End- oder Eckabschnitt hin zu einem axialen und/oder umfänglichen Mittenabschnitt bevorzugt kontinuierlich. Dadurch kann ein Wicklungsdraht, wenn er in den Nuten mit entsprechendem Drahtzug um die Zähne gewickelt ist/wird, entlang der im Wesentlichen gesamten axialen und/oder umfänglichen Länge eine nach innen gerichtete mechanische Kraft auf die Zahnisolierungsmaske ausüben, was parasitäre Luftspalte zwischen der Wicklung und der Zahnisolierungsmaske sowie zwischen der Zahnisolierungsmaske und dem Stator oder Rotor am betreffenden Zahn bzw. in der jeweiligen Nut verkleinert. Die Verkleinerung dieser Luftspalte verbessert die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wicklung und dem Stator oder Rotor.
Die Erfindung kann dabei auf eine jede beliebige elektrische Maschine angewendet werden, in welcher Wicklungen zum Einsatz kommen, die um einzelne Zähne der Maschine gewickelt oder geschoben werden/sind, d. h. auf den Stator und/oder Rotor der Maschine. Dies sind z. B. Elektromotoren oder Generatoren, insbesondere permanentmagneterregte Maschinen (PM) mit oder ohne Bürsten, EC-Motoren, geschaltete Reluktanzmaschinen (SRM), magnetflussschaltende Maschinen usw., insbesondere für ein Fahrzeug (z. B. Fahr-, Stell- oder Lenkmotor), ein Elektrowerkzeug etc.

Claims

Zahnisolierungsmaske für einen Zahn (12) einer elektrischen Maschine (1), insbesondere eines Elektromotors (1) oder Generators (1), zum elektrischen Isolieren einer Nut (14) eines Stators (10) und/oder Rotors der Maschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnisolierungsmaske (30) derart ausgebildet ist, dass bei einem Vorsehen einer Wicklung (20) um die auf dem Zahn (12) vorsehbare Zahnisolierungsmaske (30) herum, mittels eines Wicklungsdrahts (22) der Wicklung (20) oder der Wicklung (20) eine mechanische Strecken-(q) und/oder Flächenlast (q) auf den Zahn (12) ausübbar ist.
Zahnisolierungsmaske gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass: • die Strecken-(q) und/oder Flächenlast (q) auf eine sich in Hochrichtung (R) des Zahns (12) erstreckende Zahnflanke (13) ausübbar ist; • sich die Zahnflanke (13) in Hoch-(R) und Längsrichtung (A) und/oder in Hoch-(R) und Querrichtung (U) des Zahns (12) erstreckt; • eine Wandung (34) der Zahnisolierungsmaske (30) wenigstens teilweise ballig, bogenabschnittsförmig, kreisabschnittsförmig oder ellipsenab schnittsförmig ausgebildet ist; • die Zahnisolierungsmaske (30) einen Zahn (12) eines Stators (10) oder Rotors der Maschine (1) aufweist; • die Zahnisolierungsmaske (30) einen Kunststoff, einen Isolierungs lack, ein Isolierungsharz, ein Silikon oder einen Gummi aufweist; und/o der • die Zahnisolierungsmaske (30) gemäß einer Zahnisolierungsmaske (30) eines Stators (10) oder Rotors nach einem der Ansprüche 3 bis 9 aus gebildet ist.
Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine (1), insbesondere eines Elektromotors (1) oder Generators (1), mit einem Zahn (12) und einer am Zahn (12) vorgesehenen Zahnisolierungsmaske (30) zum elektrischen Isolieren einer Nut (14) des Stators (10) oder Rotors, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung (34) der Zahnisolierungsmaske (30) in einem Mittenabschnitt (342) in Axialrichtung (A) und/oder Umfangsrichtung (U) des Stators (10) bzw. Rotors dicker ausgebildet ist als in einem Eckabschnitt (344) der Wandung (34).
Stator oder Rotor gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dickenverlauf der Wandung (34) im Mittenabschnitt (342) derart ausgebildet ist, dass mittels einer auf der Zahnisolierungsmaske (30) vorsehbaren oder vorgesehenen Wicklung (20), eine nach innen gerichtete mechanische Kraft auf die Zahnisolierungsmaske (30) und/oder den Zahn (12) ausübbar ist bzw. ausgeübt wird.
Stator oder Rotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wandung (34) des betreffenden Mittenabschnitts (342) von einem Längende dieses Mittenabschnitts (342) ausgehend, zunächst zu- und in Richtung des anderen Längendes dieses Mittenabschnitts (342) wieder abnimmt, und bevorzugt die Dicke der Wandung (34) des betreffenden Mittenabschnitts (342), abgesehen von einem in diesem Mittenabschnitt (342) vorgesehenen Spalt (35), über eine gesamte Erstreckung dieses Mittenabschnitts (342) insbesondere kontinuierlich zu und kontinuierlich wieder abnimmt.
Stator oder Rotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide in Axialrichtung (A) verlaufenden Wandungen (34) einer einzelnen Zahnisolierungsmaske (30) im Vergleich mit einem Eckabschnitt (344) einen dickeren Durchmesser bzw. größeren Radius besitzen, und/oder beide in Umfangsrichtung (U) verlaufenden Wandungen (34) einer einzelnen Zahnisolierungsmaske (30) im Vergleich mit einem Eckabschnitt (344) einen dickeren Durchmesser bzw. größeren Radius besitzen.
Stator oder Rotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Schnittebene des Zahns (13), abgesehen von einem in der Zahnisolierungsmaske (30) vorgesehenen Spalt (35), der Mittenabschnitt (342) wenigstens teilweise ballig, bogenabschnittsförmig, kreisabschnittsförmig oder ellipsenabschnittsförmig ausgebildet ist, wobei eine Innenseite des Mittenabschnitts (342) insbesondere dem Zahn (13) angepasst ist.
Stator oder Rotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Dicke der Wandung (34) um einen Faktor von ca. 1,5, ca. 1,75, ca. 2,0, ca. 2,25, ca. 2,5, ca. 2,75, ca. 3,0 oder ca. 4,0 jeweils ± 5–10% größer ist als eine minimale Dicke der Wandung (34).
Stator oder Rotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • die Zahnisolierungsmaske (30) in der Schnittebene bezüglich eines Zen trums des Zahns (12) im Wesentlichen punktsymmetrisch ausgebildet ist; • die Zahnisolierungsmaske (30) in der Schnittebene bezüglich einer Ro tatiosachse des Zahns (12) im Wesentlichen spiegelsymmetrisch ausgebildet ist; • das der Stator (10) oder Rotor ein segmentierter und/oder ein laminierter Stator (10) oder Rotor ist; • das der Stator (10) oder Rotor ein einstückiger oder ein integraler Stator (10) oder Rotor ist; • die Zahnisolierungsmaske (30) einen Kunststoff, einen Isolierungs lack, ein Isolierungsharz, ein Silikon oder einen Gummi aufweist; und/o der; • die Zahnisolierungsmaske (30) nach Anspruch 1 oder 2 ausgebildet ist.
Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor (1) oder Generator (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (1) eine Zahnisolierungsmaske (30) nach Anspruch 1 oder 2, und/oder einen Stator (10) oder Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 9 aufweist.