-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine, mit einem vergossenen Wickelkopf.
-
Stand der Technik
-
Elektrische Maschinen können als Motoren oder Generatoren in unterschiedlichen technischen Anwendungen dienen. Derzeit werden insbesondere leistungsfähige elektrische Maschinen für einen Einsatz in Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeugen entwickelt.
-
Es sind insbesondere elektrische Asynchronmaschinen bekannt. Bei diesen kann mithilfe von elektrischen Leitern, die als Statorwicklungen an einem Stator der elektrischen Maschine angeordnet sind, ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt werden. Bei einer so genannten innen laufenden elektrischen Maschine umgibt der Stator dabei einen Rotor. In dem Rotor können beispielsweise Permanentmagnete vorgesehen sein. Alternativ kann der Rotor mit einem so genannten Kurzschlusskäfig ausgebildet sein, in dem durch wechselnde von außen einwirkende Magnetfelder Ströme und damit auch induzierte Magnetfelder erzeugt werden können. Letztendlich kann mithilfe der in dem Stator vorgesehenen Statorwicklungen und einem damit bewirkten sich drehenden Magnetfeld ein Rotieren des Rotors bewirkt werden.
-
Die Statorwicklungen einer solchen elektrischen Maschine sind häufig derart angeordnet, dass sie zwischen zwei gegenüber liegenden Stirnenden des Stators entlang des Stators in einer Längsrichtung verlaufen und an den Stirnenden des Stators quer zu dieser Längsrichtung schleifenartig umgelenkt sind. Der Stator kann dabei beispielsweise einen Grundkörper aufweisen, in dem parallel zur Längsrichtung des Stators verlaufende Nuten ausgebildet sind. Statorwicklungen werden in diese Nuten eingelegt und ragen an den Stirnenden des Grundkörpers über diesen in Längsrichtung über und werden dort von einer Nut zu einer benachbarten Nut hin umgelenkt. Ein solcher Bereich, in dem die Statorwicklungen über den Statorgrundkörper in Längsrichtung überstehen und umgelenkt werden, wird üblicherweise als Wickelkopf bezeichnet.
-
Um die Statorwicklungen relativ zueinander und in Bezug auf den Statorgrundkörper zu fixieren, werden die Komponenten des Stators im Allgemeinen mit einer elektrisch isolierenden und fließfähigen aushärtbaren Masse umgossen. Eine solche Masse kann beispielsweise ein Kunststoff, insbesondere Thermoplast oder Duroplast, sein. Zum Vergießen werden die Komponenten des Stators in eine geeignete Form eingelegt und dann Vergussmassse eingefüllt. Die zunächst flüssige Vergussmasse dringt dabei in Hohlräume zwischen den Statorwicklungen und dem Statorgrundkörper ein, so dass diese Komponenten nach einem anschließenden Aushärten der Vergussmasse relativ zueinander fixiert sind.
-
In der
DE 10 2009 055 325 A1 ist eine elektrische Maschine in Form eines Asynchronmotors beschrieben, bei der Wicklungen in einem Lamellenkörper eines Stators angeordnet sind.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine, mit einem verbesserten Verhalten bei Temperaturschwankungen. Insbesondere können aufgrund solcher Temperaturschwankungen auftretende mechanische Spannungen innerhalb der elektrischen Maschine reduziert werden.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, die einen Rotor, einen den Rotor umgebenden Stator, ein den Stator umgebendes zylindrisches Gehäuse und zwei Wickelköpfe aufweist. Der Stator weist mehrere Statorwicklungen aus elektrischen Leitern auf. Jeder der Wickelköpfe ist in einem Verguss aus einem elektrisch isolierenden Material aufgenommen, in dem axiale Endbereiche der Statorwicklungen an Stirnenden des Stators vergossen sind. Der Verguss weist eine ringförmige Geometrie auf und ist innerhalb des Gehäuses an einem der beiden gegenüber liegenden Stirnenden des Stators angeordnet. Die elektrische Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Verguss der Wickelköpfe und einem Innenumfang des Gehäuses, d.h. einem benachbarten Bereich des Gehäuses ein Isolationspapier zwischengelagert ist.
-
Dieser Aspekt der Erfindung kann als auf der nachfolgend beschriebenen Erkenntnis beruhend angesehen werden:
Bei herkömmlichen Asynchronmaschinen wurden die über einen Statorgrundkörper in axialer Richtung abragenden und umgelenkten Bereiche von Statorwicklungen, das heißt der Wickelkopf, bisher in der Regel derart vergossen, dass ein Vergussmaterial in direktem mechanischem Kontakt mit dem Gehäuse stand. Der Verguss haftete dabei an einer Innenwandung des Gehäuses an. Ein solcher Verguss ist verhältnismäßig einfach herstellbar, insbesondere, weil das den Verguss umgebende Gehäuse während eines Vergießens als eine äußere Begrenzung bildende Form dienen kann.
-
Allerdings wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung erkannt, dass es bei bisherigen Vergussen insbesondere bei starken Temperaturschwankungen zu Problemen kommen kann. Es wurden mechanische Degradationen des Vergusses, beispielsweise in Form von Mikrorissen, beobachtet, welche vermutlich auf mechanische Spannungen zurückzuführen sind, die zwischen dem Verguss und dem Gehäuse bei Temperaturschwankungen auftreten. Solche mechanische Spannungen können aus unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Vergusses, meist Kunststoff, im Vergleich zu dem Material des Gehäuses, meist Metall, herrühren. Insbesondere kann der Verguss vorallem zwischen außenliegenden Drähten der Wicklungen und dem Gehäuse nur als dünne Schicht ausgebildet sein, in der mechanische Spannungen leicht zu Rissen führen können.
-
Es wird daher vorgeschlagen, den einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine einschließenden Verguss mechanisch weitgehend von einem umgebenden Gehäuse zu entkoppeln, indem zwischen dem Verguss und einem benachbarten Bereich des Gehäuses ein so genanntes Isolationspapier zwischengelagert wird.
-
Unter einem Isolationspapier kann hierbei ein folienartiges oder schichtartiges Gebilde verstanden werden, das einerseits elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist und sich andererseits mechanisch ähnlich wie ein Papier oder eine Folie verhält. Insbesondere kann das Isolationspapier eine flächige Ausprägung haben, bei der Längs- und Querabmessungen im Bereich von mehreren Millimetern oder Zentimetern liegen können, eine Dicke des Isolationspapiers jedoch lediglich zwischen 0,1 mm und 1 mm beträgt.
-
Ein derart dünnes und elektrisch isolierendes Isolationspapier kann beispielsweise bereits vor dem Vergießen der Wickelköpfe an eine Innenwandung des Gehäuses angelagert werden, so dass es sich nach dem Vergießen der Wickelköpfe zwischen dem Verguss und dem Gehäuse erstreckt.
-
Das Isolationspapier kann dabei vorteilhaft den Verguss entlang seines gesamten Umfangs umschließen. Ferner kann das Isolationspapier über eine gesamte Höhe des Vergusses zwischen den Verguss der Wickelköpfe und einem benachbarten Bereich des Gehäuses zwischengelagert sein. Damit kann das Isolationspapier den Verguss über eine gesamte Grenzfläche hin zu dem umgebenden Gehäuse von einer Innenwandung des Gehäuses trennen, d.h. elektrisch isolieren.
-
Vorzugsweise ist das Isolationspapier dabei mit dem Verguss stoffschlüssig verbunden und mit dem Gehäuse nicht stoffschlüssig verbunden. Mit anderen Worten kann das Isolationspapier derart ausgebildet sein, dass es an seiner zu dem Verguss gerichteten Oberfläche stark an dem Verguss haftet, insbesondere stoffschlüssig mit diesem verklebt ist, aber mit einer entgegengesetzten Oberfläche nicht stark an dem Gehäuse haftet, das heißt nicht stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist.
-
Dadurch, dass das Isolationspapier einerseits stoffschlüssig an dem Verguss haftet, andererseits aber an seiner gegenüber liegenden Oberfläche nicht oder nur schwach an der Innenwandung des Gehäuses haftet, kann vermieden werden, dass beispielsweise aufgrund von temperaturbedingten Dimensionsveränderungen starke Kräfte, insbesondere Scherkräfte, zwischen dem Verguss und dem Gehäuse auftreten. Stattdessen können sich zum Beispiel bei Erwärmung der Verguss und das Gehäuse weitgehend unabhängig voneinander ausdehnen. Beispielsweise kann sich das Gehäuse aufgrund des höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des hierfür verwendeten Metalls stärker ausdehnen als der mit Kunststoff gebildete Verguss. Da der Verguss nicht oder kaum direkt an dem Gehäuse haftet, kommt es dabei zu keinen bzw. geringen Kraftübertragungen zwischen dem Verguss und dem Gehäuse. Im Extremfall kann sich sogar ein Spalt zwischen dem Verguss und dem Gehäuse bilden, der sich bei einem anschließenden Abkühlen der elektrischen Maschine wieder schließen kann.
-
Ferner können durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Verguss und beispielsweise eingegossenen Kupferdrähten thermomechanische Spannungen entstehen. Diese können Risse vorallem am Vergussrand zum Gehäuse hin bewirken. Eine Rissbildung kann durch ein Zwischenlagern von Isolationspapier oder Ähnlichem vermieden werden.
-
Das Isolationspapier kann mehrere Materialschichten aufweisen. Jede der Materialschichten kann dabei bestimmte mechanische oder elektrische Anforderungen erfüllen. Auf diese Weise kann das Isolationspapier vorteilhaft sowohl eine mechanische Entkopplung zwischen dem Verguss und dem umgebenden Gehäuse als auch eine elektrische Isolation zwischen diesen Komponenten bewirken.
-
Beispielsweise kann eine der Materialschichten ausreichend elektrisch isolierend sein, um einen elektrischen Kontakt zwischen einem Leiter der Statorwicklungen und dem Gehäuse zu verhindern. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass es für den Fall, dass einzelne Leiter der Statorwicklungen lokal schadhafte umhüllende Isolierungen aufweisen, zu einem Kurzschluss zwischen solchen Leitern über das angrenzende metallische Gehäuse kommen kann.
-
Ferner kann wenigstens eine der Materialschichten mechanisch stabiler sein als der Verguss. Unter „mechanisch stabiler“ kann hierbei verstanden werden, dass die betreffende Materialschicht auch Kräften unbeschadet widerstehen kann, die im Verguss zu Schädigungen führen können. Das mit einer derart stabilen Materialschicht versehene Isolationspapier kann somit den Verguss stabilisieren und beispielsweise vor Verschleißerscheinungen schützen.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine hierin mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die verschiedenen Merkmale in geeigneter Weise ausgetauscht beziehungsweise kombiniert werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
-
1 zeigt eine Schnittansicht durch Komponenten einer herkömmlichen elektrischen Maschine.
-
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stators einer elektrischen Maschine vor dem Vergießen.
-
3 zeigt eine Schnittansicht einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
4 zeigt eine teilweise weggeschnittene, perspektivische Ansicht eines Stators und eines Gehäuses einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder gleich wirkende Merkmale sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen betitelt.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt Komponenten und Merkmale einer herkömmlichen elektrischen Maschine 1 im Querschnitt. Die Figur zeigt lediglich eine rechte Hälfte des Querschnitts. Ein gesamter Querschnitt ergibt sich durch Spiegelung an der Symmetrieachse S.
-
Die elektrische Maschine 1 weist einen Rotor 3, einen den zylindrischen Rotor 3 umgebenden hohl-zylindrischen Stator 5 und ein den Stator 5 umgebendes hohlzylindrisches Gehäuse 7 auf. Gemeinsam bilden die Komponenten 3, 5, 7 eine als Innenläufer ausgebildete Asynchronmaschine, bei der der Rotor 3 um die Symmetrieachse S rotieren kann und von in dem Stator 5 erzeugten Magnetfeldern hierzu angetrieben wird. Der Stator 5 ist an dem Gehäuse 7 fixiert, welches wiederum beispielsweise an einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs befestigt sein kann.
-
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stators 5 vor dem Vergießen. Hierbei ist die Ebene A-A angegeben, entlang derer die Querschnittsansicht aus 1 aufgenommen ist. Der Stator 5 weist einen Statorgrundkörper 9 auf, der aus einer Mehrzahl von zu einem Paket zusammengesetzten Statorblechen aufgebaut ist. In dem Statorgrundkörper 9 sind Nute 13 ausgebildet. In diese Nute 13 sind als elektrische Leiter wirkende Drähte 11 eingewickelt und bilden Statorwicklungen 15. Die Statorwicklungen 15 verlaufen zwischen zwei gegenüber liegenden Stirnenden 6 des Stators 5 entlang seiner Längsrichtung. An den Stirnenden 6 selbst ragen die Statorwicklungen 15 über den Statorgrundkörper 9 in Längsrichtung über und bilden hierbei so genannte Wickelköpfe 17. Im Bereich dieser Wickelköpfe 17 verlaufen die einzelnen Statorwicklungen 15 quer zur Längsrichtung des Stators 5, etwa in dessen Umfangsrichtung.
-
Um die Statorwicklungen 15 untereinander und in Bezug auf den Statorgrundkörper 9 zu fixieren, werden sie üblicherweise mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff umgossen. Der Kunststoff bildet dabei einen Verguss 19. Herkömmlich weist der Verguss 19 dabei die in 1 dargestellte, im Wesentlichen im Querschnitt rechteckige Form auf und grenzt an seinem radial äußeren Umfang direkt an eine Innenoberfläche 8 des Gehäuses 7 an.
-
Der Verguss kann dabei beispielsweise derart gebildet werden, dass ein zylindrischer Hohlraum, in dem sich sowohl der Lamellengrundkörper 9 als auch die Wicklungen 15 des Wickelkopfs 17 befinden, mit flüssigem Kunststoff aufgefüllt wird und der Kunststoff nachfolgend ausgehärtet wird. Der zylindrische Hohlraum kann hierbei nach außen hin von dem Gehäuse 7 und nach innen hin von einer vorzugsweise ebenfalls zylindrischen Matrizenform begrenzt werden. Nach dem Aushärten bildet der Kunststoff einen im Idealfall im Querschnitt rechteckigen Verguss 19, der sich hin zu einer Stirnfläche 6 des Stators 5 an den Lamellengrundkörper 9 anschließt und in den die Statorwicklungen 15 eingelagert sind.
-
Da der Kunststoff des Vergusses 19 beim Vergießen im noch flüssigen Zustand mit der Innenoberfläche 8 des Gehäuses 7 in Kontakt kommt, kann es beim Aushärten des Kunststoffes zu einem klebenden, stoffschlüssigen Verbund zwischen dem Verguss 19 und dem Gehäuse 7 kommen.
-
Es wurde nun von den Erfindern der vorliegenden Erfindung erkannt, dass es im Bereich des Vergusses 19 angrenzend an das Gehäuse 7 zu Problemen kommen kann, wenn die elektrische Maschine zum Beispiel aufgrund von wechselnden Umgebungstemperaturen oder aufgrund einer Erwärmung durch Wirkungsgradverluste der Maschine selbst unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt ist. Das metallische Gehäuse 7 und die metallischen Drähte 11 der Statorwicklungen 15 dehnen sich in diesem Fall meist wesentlich stärker aus als der aus Kunststoff bestehende Verguss 19, so dass es bei einem stoffschlüssigen Verbund zwischen diesen beiden Komponenten 7, 11, 19 zu mechanischen Spannungen kommen kann, welche die Integrität der elektrischen Maschine 1 im Laufe der Zeit schädigen können.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher, wie in 3 dargestellt, zwischen den Verguss 19, mit dem ein Wickelkopf 17 verkapselt wird, und einen benachbarten Bereich des Gehäuses 7 ein Isolationspapier 21 zwischengelagert. Das Isolationspapier erstreckt sich dabei vorzugsweise entlang des gesamten Umfangs des Vergusses 17, so dass eine Länge des Isolationspapiers 21 im Wesentlichen dem Innenumfang des Gehäuses 7 entspricht. In axialer Richtung erstreckt sich das Isolationspapier 21 vorzugsweise über die gesamte Höhe h des Vergusses 19. In radialer Richtung hat das Isolationspapier 21 eine Dicke d, die wesentlich geringer ist als die Dicke des Gehäuses 7 und insbesondere wesentlich geringer ist als die Dicke des Vergusses 19 und beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm liegt.
-
Eigenschaften des Isolationspapiers 21 können dabei derart gewählt sein, dass es einerseits mit dem Verguss 19 eine stark haftende, vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung eingehen kann, aber andererseits an der Innenoberfläche 8 des Gehäuses 7 allenfalls leicht anhaftet. Hierzu kann beispielsweise eine nach innen hin zu dem Verguss 19 zu richtende Oberfläche des Isolationspapiers 21 eine gewisse Rauhigkeit aufweisen, welche durch mikroskopisch kleine Strukturen oder Kavitäten erzeugt wird, so dass flüssiger Kunststoff während des Vergießens eines Wickelkopfes 7 in Strukturen des oberflächlich rauen Isolationspapiers 21 einfließen und nach einem Aushärten die gewünschte stoffschlüssige Verbindung bilden kann. Andererseits kann das Isolationspapier 21 ausreichend dicht sein, so dass kein flüssiger Kunststoff während des Vergießens durch das Isolationspapier 21 hindurch bis zu einer gegenüber liegenden Seite gelangt und somit die gegenüber liegende Oberfläche des Isolationspapiers 21 nicht mit der Innenoberfläche 8 des Gehäuses 7 verkleben kann.
-
Insbesondere kann das Isolationspapier 21 mehrere Materialschichten aufweisen. Beispielsweise kann das Isolationspapier 21 an den beiden gegenüber liegenden Außenoberflächen jeweils eine Schicht aus Nomex-Gewebe aufweisen, wobei die beiden Nomex-Gewebe-Schichten durch eine dazwischen liegende Polyesterschicht getrennt sind. Ein solcher Verbund aus drei Schichten kann typischerweise eine Dicke von etwa 0,2 bis 0,4 mm aufweisen. In das Nomex-Gewebe kann flüssiger Kunststoff des Vergusses 19 oberflächlich eindringen und mit diesem verkleben. Die zwischenliegende Polyesterschicht verhindert einerseits, dass flüssiger Kunststoff hin zu der gegenüber liegenden Nomex-Gewebe-Schicht gelangen kann, und sorgt andererseits für eine ausreichende elektrische Isolationsfähigkeit des Isolationspapiers 21.
-
Aufgrund der durch das zwischengelagerte Isolationspapier 21 bewirkten mechanischen Entkopplung zwischen dem Verguss 19 einerseits und dem Gehäuse 7 andererseits kann ein Aufbauen von mechanischen Spannungen zwischen diesen Komponenten 7, 19 vermieden werden. Beispielsweise kann sich bei starkem Ausdehnen des Gehäuses 7 aufgrund hoher Temperaturen ein Spalt zwischen der Innenoberfläche 8 des Gehäuses 7 und der außen liegenden Oberfläche des Isolationspapiers 21 bilden, ohne dass hierdurch erhebliche mechanische Spannungen bewirkt würden. Außerdem kann das Isolationspapier 21 aufgrund seiner elektrisch isolierenden Eigenschaften einen zusätzlichen Schutz beispielsweise gegen Kurzschlüsse zwischen eventuell beschädigten Statorwicklungen 15, beispielsweise bei einer Schädigung des Vergusses 19, bieten, indem ein elektrischer Kontakt dieser Statorwicklungen 19 mit dem elektrisch leitfähigen Gehäuse 7 verhindert wird.
-
4 veranschaulicht einen Stator 5 und ein umgebendes Gehäuse 7 für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in perspektivischer und teilweise weggeschnittener Ansicht. Zwischen dem Verguss 19 und einer Innenoberfläche 8 des Gehäuses 7 ist hierbei das Isolationspapier 21 angeordnet und umgibt den gesamten ringförmig verlaufenden Verguss 19 an dessen Außenoberfläche.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009055325 A1 [0006]
