DE102014007549A1

DE102014007549A1 - Electric machine

Info

Publication number: DE102014007549A1
Application number: DE102014007549.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Maiwald
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (2), die als Komponenten einen Stator (6) und einen Rotor (8) aufweist, wobei eine erste dieser beiden Komponenten Leiterstäbe (32) aus elektrisch leitfähigem Material aufweist, die über eine Platine (34, 36) miteinander verbunden sind.The invention relates to an electrical machine (2) comprising as components a stator (6) and a rotor (8), wherein a first of these two components comprises conductor bars (32) of electrically conductive material which are connected via a printed circuit board (34, 36 ) are interconnected.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine.The invention relates to an electrical machine and a method for producing an electrical machine.

Ein Elektromotor umfasst als Komponenten in der Regel einen Stator und einen Rotor, der sich relativ zu dem Stator drehen kann. Dabei weist eine der beiden Komponenten Permanentmagneten und die andere Komponente Spulen auf, durch die elektrischer Strom zu leiten ist, wodurch mit den Spulen Magnetfelder erzeugt werden, aufgrund deren Wechselwirkung mit Magnetfeldern der Permanentmagneten der Rotor relativ zu dem Stator in Rotation versetzt wird. Die Spulen umfassen plastisch verformbare Drähte, die aus einem Metall wie Kupfer oder Aluminium gebildet und mit Kupferdrahtlack umhüllt sein können, wobei die Spulen aus den Drähten mit einer Wickeltechnik herzustellen sind.An electric motor typically includes as components a stator and a rotor that can rotate relative to the stator. In this case, one of the two components permanent magnet and the other component coils, is to be passed through the electric current, whereby magnetic fields are generated with the coils, due to their interaction with magnetic fields of the permanent magnet, the rotor is rotated relative to the stator in rotation. The coils include plastically deformable wires which may be formed of a metal such as copper or aluminum and coated with copper wire enamel, the coils being made from the wires by a winding technique.

Üblicherweise wird bei einer Herstellung eines herkömmlichen Elektromotors versucht, eine Anzahl an Windungen nicht zu gering werden zu lassen, weil sich durch einen zu dicken Draht, aus dem die Windungen zur Bereitstellung der Spulen in der Regel mit einer Wickelmaschine zu wickeln sind, Probleme ergeben können und sich ein Füllungsgrad der Wicklungen verschlechtern kann.Conventionally, when producing a conventional electric motor, it is attempted not to make a number of turns too small, because problems may be caused by too thick a wire from which the windings for winding the coils are usually to be wound with a winding machine and a degree of filling of the windings may deteriorate.

In der Praxis umfassen kleine Elektromotoren daher entweder eine hohe Anzahl an Polen und eine niedrige Drehzahl, wodurch sich bei einer mittleren Leistungsdichte ein hohes Drehmoment ergibt, oder sie umfassen eine geringe Anzahl an Polen und eine hohe Drehzahl, wodurch sich bei einer mittleren Leistungsdichte ein hohes Drehmoment ergibt. Dabei kann in beiden Fällen keine maximale Leistungsdichte erreicht werden. Übliche Maßnahmen zur Erhöhung der Windungszahl können durch Bereitstellung einer möglichst hohen Versorgungsspannung, einen externen Spannungswandler (Booster), eine Dreieckschaltung anstelle einer Sternschaltung, eine Parallelverschaltung mehrerer dünnerer Wicklungen, eine niedrig gewählte Drehzahl und/oder eine niedrige Flussdichte umgesetzt werden.In practice, therefore, small electric motors comprise either a high number of poles and a low speed, which results in a high torque at an average power density, or they comprise a small number of poles and a high speed, which results in a high power density Torque results. In both cases, no maximum power density can be achieved. Conventional measures to increase the number of turns can be implemented by providing the highest possible supply voltage, an external voltage converter (booster), a delta connection instead of a star connection, a parallel connection of several thinner windings, a low speed selected and / or a low flux density.

Vor diesem Hintergrund werden eine elektrische Maschine und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausgestaltungen der elektrischen Maschine sowie des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.Against this background, an electric machine and a method with the features of the independent claims are presented. Embodiments of the electrical machine and the method are apparent from the dependent claims.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst als Komponenten einen Stator und einen Rotor, wobei eine erste dieser beiden Komponenten, d. h. entweder der Stator oder der Rotor, Leiterstäbe aus elektrisch leitfähigem Material aufweist, die über mindestens eine Platine als Verbindungselement miteinander verbunden sind.The electric machine according to the invention comprises as components a stator and a rotor, wherein a first of these two components, i. H. either the stator or the rotor, conductor bars made of electrically conductive material, which are connected to each other via at least one circuit board as a connecting element.

Hierbei ist eine Hauptachse jeweils eines Leiterstabs zu einer flachen Hauptebene der mindestens einen Platine senkrecht orientiert.Here, a main axis of a respective conductor bar is oriented perpendicular to a flat main plane of the at least one board.

Die Leiterstäbe können in einem Bauteil aus weichmagnetischem Material angeordnet und/oder eingebettet sein, wobei das Bauteil aus weichmagnetischem Material mindestens ein Eisenpaket, das aus Eisenpulver hergestellt ist, aufweist und/oder als mindestens ein Eisenpaket, das aus Eisenpulver hergestellt ist, ausgebildet ist. Folglich weist die erste Komponente der elektrischen Maschine das Bauteil sowie die darin angeordneten Leiterstäbe auf.The conductor bars can be arranged and / or embedded in a component made of soft magnetic material, wherein the soft magnetic material component has at least one iron package made of iron powder and / or as at least one iron package made of iron powder. Consequently, the first component of the electrical machine has the component and the conductor bars arranged therein.

Je nach Ausgestaltung und/oder Funktionsweise ist die elektrische Maschine als Elektromotor und/oder als Generator ausgebildet.Depending on the configuration and / or mode of operation, the electric machine is designed as an electric motor and / or as a generator.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jeweils ein als Eisenpaket ausgebildetes Bauteil mindestens eine Nut aufweist, in die der mindestens eine Leiterstab aus elektrisch leitfähigem Material eingesetzt ist. Jeweils ein Eisenpaket ist aus Eisenpulver als weichmagnetischem Verbundmaterial hergestellt. Die Leiterstäbe sind über elektronische Bauelemente und/oder Leiterbahnen der mindestens einen Platine, die aus elektrisch leitfähigem Material sind, miteinander verbunden.In a further embodiment it is provided that in each case a trained as iron package component has at least one groove into which the at least one conductor bar is inserted from electrically conductive material. Each iron package is made of iron powder as a soft magnetic composite material. The conductor bars are connected to one another via electronic components and / or conductor tracks of the at least one circuit board, which are made of electrically conductive material.

In der Regel ist die erste der beiden Komponenten als Stator, der an einem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt ist, und eine zweite der beiden Komponenten als relativ zum Stator drehbarer Rotor ausgebildet. Die zweite der beiden Komponenten weist Permanentmagneten auf.As a rule, the first of the two components is designed as a stator, which is fastened to a housing of the electrical machine, and a second of the two components is designed as a rotor rotatable relative to the stator. The second of the two components has permanent magnets.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, die als Komponenten einen Stator und einen Rotor aufweist, ist vorgesehen, dass eine erste der beiden Komponenten aus Leiterstäben aus elektrisch leitfähigem Material, die über mindestens eine Platine miteinander verbunden werden, hergestellt wird.In the method according to the invention for producing an electrical machine which has a stator and a rotor as components, it is provided that a first of the two components is produced from conductor bars of electrically conductive material which are connected to one another via at least one circuit board.

Die erste Komponente kann aus mindestens einem Eisenpaket aus Eisenpulver hergestellt werden, wobei die Leiterstäbe in Nuten des mindestens einen Eisenpakets angeordnet werden.The first component may be made of at least one iron package of iron powder, with the conductor bars disposed in grooves of the at least one iron package.

Jeweils ein Leiterstab kann mit der mindestens einen Platine durch ein Pressverfahren verbunden werden. Alternativ oder ergänzend kann jeweils ein Leiterstab mit der mindestens einen Platine durch ein thermisches Fügeverfahren verbunden werden. Hier ist in jeweils ein Eisenpaket jeweils mindestens eine Nut einzufügen, wobei in jeweils eine Nut mindestens ein Leiterstab angeordnet bzw. eingefügt wird.In each case a conductor bar can be connected to the at least one circuit board by a pressing process. Alternatively or additionally, in each case one conductor bar can be connected to the at least one circuit board by a thermal joining method. Here is in each case an iron package in each case insert at least one groove, wherein in each case a groove at least one conductor bar is arranged or inserted.

Die Leiterstäbe werden über mindestens ein Verbindungselement, das als Platine ausgebildet ist, miteinander verbunden. Außerdem ist möglich, dass die Leiterstäbe über mindestens ein weiteres Verbindungselement aus elektrisch leitfähigem Material verbunden sind. Dabei können Leiterstäbe verschiedener Eisenpakte aber auch Leiterstäbe eines einzelnen Eisenpakets über mindestens ein Verbindungselement miteinander verbunden werden. Hierbei wird bspw. jeweils ein Ende eines Leiterstabs mit jeweils einem Verbindungselement durch ein Pressverfahren, bspw. ein Einpress- oder Pressfitverfahren verbunden. Alternativ oder ergänzend wird jeweils ein Ende mindestens eines Leiterstabs mit mindestens einem Verbindungselement durch ein thermisches Fügeverfahren, bspw. ein Löt- oder Schweißverfahren, verbunden.The conductor bars are connected to each other via at least one connecting element, which is designed as a circuit board. It is also possible that the conductor bars are connected via at least one further connecting element made of electrically conductive material. In this case, conductor bars of various iron pacts but also conductor bars of a single iron package can be connected to one another via at least one connecting element. In this case, for example, in each case one end of a conductor bar is connected, in each case with a connecting element, by a pressing method, for example a pressfit or pressfit method. Alternatively or additionally, in each case one end of at least one conductor bar is connected to at least one connecting element by a thermal joining method, for example a soldering or welding method.

Somit umfasst eine Komponente der elektrischen Maschine, d. h. entweder der Stator oder der Rotor, statt der üblicherweise vorgesehenen Spulen Leiterstäbe, die in jeweilige Nuten von Eisenpaketen aus Eisenpulver der Komponente eingesetzt sein können, wodurch mit der elektrischen Maschine bei deren Betrieb hohe Drehzahlen zu erreichen sind.Thus, a component of the electric machine, i. H. either the stator or the rotor, instead of the usually provided coils conductor bars, which may be inserted into respective grooves of iron packets of iron powder of the component, whereby high speeds can be achieved with the electric machine in their operation.

Somit weist die erste Komponente der elektrischen Maschine statt üblicherweise zu verwendender Spulen oder Wicklungen als Formteile die Leiterstäbe sowie die Platine und ein weiteres Verbindungselement auf. Bei der Herstellung der elektrischen Maschine werden die Leiterstäbe starr vorgefertigt und müssen somit nicht mehr gebogen werden. Außerdem sind die Leiterstäbe aus leitfähigem Material, in der Regel einem Metall, herzustellen.Thus, the first component of the electric machine instead of usually to be used coils or windings as moldings, the conductor bars and the circuit board and another connecting element. In the manufacture of the electric machine, the conductor bars are rigid prefabricated and thus need not be bent. In addition, the conductor bars are made of conductive material, usually a metal.

Die erste Komponente der elektrischen Maschine kann als Bauteil aus weichmagnetischem Material statt Eisenpakete auch Eisenlamellen bzw. Eisenbleche oder Trafobleche aufweisen, die mit Lack überzogen sein können. Außerdem kann das Eisenpaket aus Eisenpulver als weichmagnetischem Material lackierten Draht aufweisen. Sofern als weichmagnetisches Material Eisenpulver verwendet wird, ist die erste Komponente flexibel zu formen und weist geringe Wirbelstromverluste auf, wodurch hohe Drehzahlen und/oder hohe elektrische Frequenzen der elektrischen Maschine zu erreichen sind. Sofern für die erste Komponente Eisenlamellen verwendet werden, werden diese durch Walzen und Stanzen hergestellt und somit beschichtet sowie zusammengefügt. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass Eisenlamellen im Gegensatz zu Eisenpulver akustische Vibrationen erzeugen können.The first component of the electric machine may have as a component made of soft magnetic material instead of iron packages and iron plates or iron sheets or transformer plates, which may be coated with lacquer. In addition, the iron package of iron powder may have as a soft magnetic material painted wire. If iron powder is used as a soft magnetic material, the first component is flexible and has low eddy current losses, as a result of which high rotational speeds and / or high electrical frequencies of the electrical machine can be achieved. If iron lamellae are used for the first component, they are produced by rolling and stamping and thus coated and joined together. However, it should be noted that iron lamellae, in contrast to iron powder can produce acoustic vibrations.

Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine ist zu berücksichtigen, dass eine elektromotorische Kraft proportional zu einer Feldstärke eines Magnetfelds der Leiterstäbe, einer Drehzahl der elektrischen Maschine sowie einer Anzahl der Leiterstäbe ist. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass eine extern angelegte Spannung, üblicherweise eine sogenannte Klemmenspannung, höher als die entgegengerichtete elektromagnetische Kraft (EMK) ist, wodurch ein positives Drehmoment zu erzielen ist. Durch Vorsehen der Leiterstäbe, die über die Platine miteinander verbunden sind, die im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Maschinen die Windungen ersetzen, kann die Anzahl der Windungen bzw. von Ersatzwindungen, die durch einen Verbund der Leiterstäbe mit der mindestens einen Platine bereitgestellt werden, gering gehalten werden. Durch die geringe entgegengerichtete elektromagnetische Kraft kann ein positives, beschleunigendes Drehmoment bei geringen Spannungen erreicht werden. Mit der elektrischen Maschine ist eine höchstmögliche magnetische Feldstärke erreichbar, wobei die externe Spannung relativ zu einer Leistung und einer Drehzahl der elektrischen Maschine gering ist, wohingegen ein durch die Leiterstäbe der elektrischen Maschine fließender Strom hoch ist.In an operation of the electric machine is to be considered that an electromotive force is proportional to a field strength of a magnetic field of the conductor bars, a rotational speed of the electric machine and a number of the conductor bars. In an operation of the electric machine is provided in an embodiment that an externally applied voltage, usually a so-called terminal voltage, higher than the opposing electromagnetic force (EMF), whereby a positive torque is achieved. By providing the conductor bars which are interconnected via the board, which replace the turns as compared to conventional electric machines, the number of turns or replacement turns provided by a combination of the conductor bars with the at least one board can be kept low become. Due to the low opposing electromagnetic force, a positive, accelerating torque can be achieved at low voltages. With the electric machine, the highest possible magnetic field strength can be achieved, wherein the external voltage relative to a power and a rotational speed of the electric machine is low, whereas a current flowing through the conductor bars of the electric machine is high.

Im Rahmen der Erfindung kann durch Kombination verschiedener Maßnahmen eine Anzahl an Wicklungen der elektrischen Maschine minimiert werden. In möglicher Ausgestaltung ergibt sich durch Einsatz eines Leiterstabs in einer Nut nur noch eine Windung oder eine halbe Windung je Nut eines Eisenpakets der ersten Komponente der elektrischen Maschine. Somit ergibt sich, dass die ansonsten üblichen Windungen und eine Wickelmaschine, um diese zu wickeln, überflüssig werden. Leitfähige Stäbe bzw. Leiterstäbe werden vorgefertigt und in die Nuten eingesetzt. Die Verbindung der leitfähigen Stäbe untereinander wird über die mindestens eine Platine und ggf. eine leitfähige Platte oder ein Stanzgitter als Verbindungselement bereitgestellt. Die leitfähige Platte, das Stanzgitter oder die mindestens eine Platine kann unterschiedliche, elektrisch leitfähige Materialien, z. B. Aluminium, metallische Legierungen oder kohlenstoffbasierte Materialien aufweisen. Die Verbindungselemente und die Leiterstäbe können beispielsweise über Einpress-, Pressfit-, Löt- oder Schweißverbindungen miteinander verbunden werden.In the context of the invention, a number of windings of the electrical machine can be minimized by combining various measures. In a possible embodiment, the use of a conductor bar in a groove results in only one turn or half a turn per slot of an iron packet of the first component of the electric machine. Thus, it follows that the otherwise usual turns and a winding machine to wind them, become superfluous. Conductive rods or conductor bars are prefabricated and inserted into the grooves. The connection of the conductive rods with each other is provided via the at least one circuit board and possibly a conductive plate or a lead frame as a connecting element. The conductive plate, the stamped grid or the at least one board can be different, electrically conductive materials, eg. As aluminum, metallic alloys or carbon-based materials. The connecting elements and the conductor bars can be connected to one another, for example, via press-fit, press-fit, soldered or welded connections.

Die üblicherweise starren Leiterstäbe werden bei einer Herstellung der elektrischen Maschine bspw. von oben oder seitlich in jeweilige Nuten der vorgefertigten Eisenpakete der ersten Komponente, d. h. des Stators oder des Rotors, der elektrischen Maschine eingefügt. Da auf eine ansonsten bei der Herstellung einzusetzende Wickelmaschine verzichtet werden kann, ist für diese nun keine Lücke mehr erforderlich, wodurch ein Verlauf eines magnetischen Flusses und eine Leistungsdichte erhöht werden können. Üblicherweise sind mit der elektrischen Maschine eine hohe Drehzahl, eine hohe Anzahl an Polen, ein hohes Drehmoment und eine hohe Leistungsdichte bei niedriger Versorgungsspannung zu erreichen.The usually rigid conductor bars are inserted, for example, from above or laterally into respective slots of the prefabricated iron packets of the first component, ie the stator or the rotor, of the electric machine during production of the electric machine. Since it is possible to dispense with a winding machine otherwise to be used in the production, no gap is required for them, whereby a course of a magnetic flux and a power density are increased can. Usually, with the electric machine, a high speed, a high number of poles, a high torque and a high power density at low supply voltage can be achieved.

Eine Reduktion von bzw. ein Verzicht auf Windungen oder Wicklungen ist durch Vorsehen einer hohen Drehzahl der elektrischen Maschine, einer Sternschaltung statt einer Dreieckschaltung, eines internen Spannungsabwärtsreglers, der in einem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet sein kann, einer hohen Anzahl an Phasen bzw. Polen, einer hohen Flussdichte, einer hohen Stromdichte, unter Nutzung eines Strommanagements, eines geringen Luftspalts und eines hohen Füllfaktors zu erreichen.A reduction in windings or windings is a high number of phases or poles by providing a high speed of the electric machine, a star connection instead of a delta connection, an internal voltage down regulator, which may be arranged in a housing of the electric machine To achieve a high flux density, a high current density, using a power management, a small air gap and a high filling factor.

Die Leiterstäbe, die auch als Stableiter bezeichnet werden, können im Querschnitt unterschiedliche Formen aufweisen und n-eckig, bspw. dreieckig, viereckig, üblicherweise quadratisch und demnach auch regelmäßig vieleckig, oder rund ausgebildet sein. Bei der Herstellung der ersten Komponente der elektrischen Maschine, also entweder des Stators oder des Rotors, werden die Leiterstäbe in die Nuten der Eisenpakete eingefügt und über die Verbindungselemente miteinander verbunden. Durch Vorsehen der Leiterstäbe statt der ansonsten üblichen Drähte zur Bereitstellung der Wicklungen kann auf einen Spalt bzw. die Lücke für die Wickelmaschine, die üblicherweise bei der Herstellung einzusetzen ist, verzichtet werden. Hierdurch können bei einem Betrieb der elektrischen Maschine dessen Leistungsdichte und deren Wirkungsgrad erhöht werden.The conductor bars, which are also referred to as bar conductors, can have different shapes in cross-section and be of an angular shape, for example triangular, quadrangular, usually square and therefore also regularly polygonal, or round. In the production of the first component of the electrical machine, that is, either the stator or the rotor, the conductor bars are inserted into the grooves of the iron packets and connected to one another via the connecting elements. By providing the conductor bars instead of the otherwise customary wires for providing the windings, it is possible to dispense with a gap or the gap for the winding machine which is usually to be used during production. As a result, during operation of the electric machine, its power density and its efficiency can be increased.

Somit werden für die elektrische Maschine statt Spulen bzw. Wicklungen aus Draht nunmehr die Leiterstäbe verwendet. Ein Leiterstab besteht aus Metall, das duktil ist. Die Leiterstäbe sind aufgrund einer vorgesehenen Leitfähigkeit bspw. aus Eisen oder Kupfer gebildet. Je nach Dicke eines Leiterstabs kann dieser bei einer jeweils herrschenden Temperatur entweder starr und unbiegsam oder formbar sein, wobei der Leiterstab bspw. an seine Enden verbogen werden kann. Alternativ oder ergänzend kann eine Verformung über die mindestens eine Platine erreicht werden.Thus, the conductor bars are now used for the electrical machine instead of coils or windings of wire. A ladder bar is made of metal that is ductile. The conductor bars are formed, for example, from iron or copper due to a provided conductivity. Depending on the thickness of a conductor bar this can be either rigid and inflexible or malleable at a particular prevailing temperature, the conductor bar, for example, can be bent at its ends. Alternatively or additionally, a deformation can be achieved via the at least one circuit board.

Die für die elektrische Maschine zu verwendenden Leiterstäbe können unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. In der Regel kann jeweils ein Leiterstab zylinderförmig mit rundem Querschnitt ausgebildet sein. Allerdings kann ein Querschnitt eines Leiterstabs auch n-eckig ausgebildet sein. Bei der Herstellung der elektrischen Maschine sind die zu verwendenden Leiterstäbe auf eine für die Maschine vorgesehene Länge abzulängen. Die abgelängten Leiterstäbe können zur Bereitstellung der ersten Komponente der elektrischen Maschine unter Beibehaltung ihrer ursprünglichen Form über die mindestens eine Platine miteinander verbunden werden.The conductor bars to be used for the electric machine may have different cross-sectional shapes. In general, a conductor bar can be formed in each case in a cylindrical shape with a round cross section. However, a cross-section of a conductor bar can also be formed in an e-cornered manner. When manufacturing the electric machine, the conductor bars to be used are to be cut to a length intended for the machine. The cut-to-length conductor bars can be connected together to provide the first component of the electrical machine while retaining its original shape via the at least one circuit board.

Bei elektrischen Maschinen üblicherweise zu verwendende Wicklungsköpfe werden nunmehr durch die Verbindungselemente und somit durch die mindestens eine Platine ersetzt. Mindestens ein weiteres Verbindungselement zum Verbinden der Leiterstäbe kann als Stanzgitter ausgebildet sein.Winding heads usually to be used in electrical machines are now replaced by the connecting elements and thus by the at least one circuit board. At least one further connecting element for connecting the conductor bars may be formed as a stamped grid.

Die mindestens eine als Verbindungselement zu verwendende Platine umfasst neben Verbindungen der Leiterstäbe auch eine zum Betrieb der elektrischen Maschine vorgesehene Ansteuerung und/oder Elektronik, wodurch eine Anzahl von Fertigungsschritten und eine Anzahl an Bauteilen der elektrischen Maschine reduziert werden kann. Durch Ausgestaltung der Platine, bspw. in einer Einlagen- oder Mehrlagentechnik, sind flexiblere Stromführungen als mit einer herkömmlichen Wickeltechnik zu erreichen. Außerdem weist jeweils ein Leiterstab, d. h. die Hauptachse des jeweiligen Leiterstabs, zu der mindestens einen Platine, d. h. zu einer Hauptebene der mindestens einen Platine, einen Winkel von 90 Grad auf. Weiterhin ist möglich, dass jeweils ein Leiterstab abhängig von seiner Dicke auch biegbar sein kann.The at least one circuit board to be used as a connection element comprises not only connections of the conductor bars but also a control and / or electronics provided for operating the electrical machine, whereby a number of production steps and a number of components of the electrical machine can be reduced. By design of the board, for example. In a deposit or multi-layer technology, more flexible power guides are to be achieved than with a conventional winding technology. In addition, each has a conductor bar, d. H. the main axis of the respective conductor bar, to the at least one board, d. H. to a main plane of the at least one board, an angle of 90 degrees. Furthermore, it is possible that in each case a conductor bar can also be bendable depending on its thickness.

In weiterer Ausgestaltung kann jeweils ein Leiterstab durch Isolationsmaterial an dessen Außenwandung elektrisch isoliert sein. Allerdings kann jedoch auf eine derartige Isolation jeweils eines Leiterstabs verzichtet werden, falls das zur Bereitstellung des Bauteils für die erste Komponente vorgesehene Eisenpaket aus weichmagnetischem Material ausreichend isoliert ist.In a further embodiment, in each case one conductor bar can be electrically insulated by insulation material on its outer wall. However, such an insulation of a conductor bar can be dispensed with if the iron package of soft magnetic material provided for providing the component for the first component is sufficiently insulated.

Bei der vorgestellten elektrischen Maschine wird eine halbe Wicklung einer ansonsten zu verwendenden Spule durch eine Leiterbahn auf der mindestens einen Platine ersetzt, mit der eine Stromführung und/oder eine elektrische Funktion, bspw. eine Teilwicklung und/oder ein Sternpunkt, bereitgestellt wird. Somit sind Enden von mindestens zwei Leierstäben über mindestens eine Leiterbahn einer Platine miteinander elektrisch zu verbinden.In the presented electric machine half a winding of an otherwise to be used coil is replaced by a conductor on the at least one board, with a current flow and / or an electrical function, for example. A partial winding and / or a neutral point is provided. Thus, ends of at least two lyre bars are to be electrically connected to one another via at least one conductor track of a printed circuit board.

Im Gegensatz zu herkömmlichen elektrischen Maschinen, die Spulen bzw. Windungen oder Wicklungen aufweisen, kann durch Einsatz der Leiterstäbe, die über die mindestens eine Platine verbunden sind, bei der beschriebenen elektrischen Maschine ein erhöhter Füllungsgrad erreicht werden. Außerdem können die Leiterstäbe in dem vorgesehenen Eisenpaket bzw. Eisenkern als Bauteil aus weichmagnetischem Material beliebig verteilt angeordnet werden, wobei es möglich ist, jeweils einen Leiterstab in dem Eisenpaket einzeln anzuordnen.In contrast to conventional electrical machines having coils or windings, by using the conductor bars, which are connected via the at least one circuit board, in the described electrical machine, an increased degree of filling can be achieved. In addition, the conductor bars can be arranged distributed arbitrarily in the proposed iron package or iron core as a component made of soft magnetic material, wherein it is possible to arrange one conductor bar in the iron package individually.

In der Regel ist ein Leiterstab wesentlich dicker als ein ansonsten zu verwendender Draht. Außerdem ist eine Anzahl an Leiterstäben wesentlich geringer als eine ansonsten vorzusehende Anzahl an Windungen einer Spule. Außerdem ist eine Relation eines Querschnitts eines Leiterstabs, der in Ausgestaltung aus Eisen ausgebildet sein kann, zehnmal so groß wie ein Querschnitt eines ansonsten üblichen Drahts aus Kupfer. Eine eventuell vorzusehende Isolation für einen Leiterstab wird bei der Herstellung der elektrischen Maschine nicht verformt. Sofern sich die Leiterstäbe untereinander nicht berühren, ist möglicherweise auf eine Isolation einzelner Leiterstäbe zu verzichten. Als leitfähiges Material zur Bereitstellung von Leiterstäben kann neben Eisen, Kupfer, Aluminium eine metallische Legierung oder ein anderes elektrisch leitfähiges Material verwendet werden.As a rule, a conductor bar is much thicker than an otherwise used wire. In addition, a number of conductor bars is substantially less than an otherwise provided number of turns of a coil. In addition, a relation of a cross section of a conductor bar, which may be formed in the embodiment of iron, ten times as large as a cross section of an otherwise conventional wire made of copper. Any insulation to be provided for a conductor bar is not deformed during the production of the electrical machine. If the conductor bars do not touch each other, it may be necessary to dispense with an insulation of individual conductor bars. As a conductive material for providing conductor bars, in addition to iron, copper, aluminum, a metallic alloy or other electrically conductive material can be used.

Durch eine für die elektrische Maschine erreichbare hohe Leistungsdichte und/oder Drehzahl und/oder einen zu erreichenden hohen Füllgrad können mögliche Nachteile hinsichtlich einer elektrischen Leitfähigkeit der Leiterstäbe kompensiert werden. Somit können für die Leiterstäbe statt Kupfer auch weniger leitfähige Metalle wie Aluminium oder Eisen verwendet werden. In Ausgestaltung wird eine elektrische Maschine hergestellt, die lediglich leitfähiges Material aus Eisen sowie Kunststoff und bspw. zwei Platinen umfasst. Ein derartiger elektrischer Motor ist demnach einfach zu recyceln. Zwar sind Kupfer oder Aluminium gute elektrische Leiter, allerdings weisen sie eine magnetische Permeabilität bzw. Leitfähigkeit auf, die annähernd den Wert eins aufweist, wodurch sich zwischen einzelnen Leiterstäben aus Kupfer oder Aluminium ein magnetischer Luftspalt bilden könnte. Durch Verwendung von Eisen zur Bereitstellung der Leiterstäbe ist es dagegen möglich, ein Magnetfeld auch innerhalb eines jeweiligen Leiterstabs zu führen.By achievable for the electrical machine high power density and / or speed and / or a high degree of filling to be achieved possible disadvantages in terms of electrical conductivity of the conductor bars can be compensated. Thus, less conductive metals such as aluminum or iron can be used for the conductor bars instead of copper. In an embodiment, an electrical machine is produced which comprises only conductive material made of iron and plastic and, for example, two circuit boards. Such an electric motor is therefore easy to recycle. Although copper or aluminum are good electrical conductors, but they have a magnetic permeability or conductivity, which has approximately the value of one, which could form a magnetic air gap between individual conductor bars made of copper or aluminum. By using iron to provide the conductor bars, on the other hand, it is possible to conduct a magnetic field also within a respective conductor bar.

In weiterer Ausgestaltung umfasst die Komponente der elektrischen Maschine die Eisenpakete, die aus Eisenpulver herzustellen sind. Die Eisenpakete weisen Nuten auf, in denen die Leiterstäbe, die Phasen der elektrischen Maschine zugeordnet sind, angeordnet sind. Diese erste Komponente der elektrischen Maschine, die die Eisenpakete mit den darin eingefügten Leiterstäben aufweist, ist entweder als Stator oder Rotor ausgebildet.In a further embodiment, the component of the electric machine comprises the iron packets which are to be produced from iron powder. The iron packages have grooves in which the conductor bars, the phases of the electrical machine are assigned, are arranged. This first component of the electric machine, which has the iron packages with the conductor bars inserted therein, is designed either as a stator or a rotor.

In der Regel ist ein Leiterstab zwischen zwei Verbindungselementen, wobei mindestens ein Verbindungselement als Platine ausgebildet ist, anzuordnen. Dabei ist ein erstes Ende eines Leiterstabs einerseits mit einer ersten Platine und ein zweites Ende dieses Leiterstabs andererseits mit einer zweiten Platine zu verbinden. Die mindestens eine Platine ist nach einem Dickschichtfertigungsverfahren herstellbar. Außerdem kann die mindestens eine Platine mit elektronischen Bauteilen und/oder Leiterbahnen bestückt werden, über die Enden von Leiterstäben verbunden werden.In general, a conductor bar between two connecting elements, wherein at least one connecting element is designed as a circuit board to arrange. In this case, a first end of a conductor bar on the one hand with a first board and a second end of this conductor bar on the other hand to connect to a second board. The at least one circuit board can be produced by a thick-layer production process. In addition, the at least one board can be equipped with electronic components and / or printed conductors, are connected via the ends of conductor bars.

Sofern als Bauteil aus weichmagnetischem Material ein Eisenpaket bzw. Eisenkern aus Eisenpulver verwendet wird, wird dieses Eisenpaket durch Pressen oder Spritzgießen des Eisenpulvers hergestellt. Dabei kann das Eisenpulver bereits einen Anteil an Isoliermaterial umfassen. Alternativ ist möglich, dass das Bauteil aus weichmagnetischem Material für die erste Komponente der elektrischen Maschine aus Eisenlamellen bzw. Transformatorenblechen gefertigt wird. Sofern ein Eisenpaket aus Eisenpulver verwendet wird, sind Leiterstäbe in Nuten und somit in Aussparungen des Eisenpakets einzuschieben. In weiterer Ausgestaltung wird die mindestens eine Platine optional auf Enden der Leiterstäbe aufgepresst. Der Rotor als zweite Komponente der elektrischen Maschine ist in den Stator einzusetzen. Weiterhin können der Rotor und der Stator mit den Leiterstäben, der den Rotor umschließt, in das Gehäuse der elektrischen Maschine eingesetzt werden. Danach wird das Gehäuse verschlossen.If an iron core or iron core made of iron powder is used as a component of soft magnetic material, this iron package is produced by pressing or injection molding of the iron powder. The iron powder may already comprise a proportion of insulating material. Alternatively, it is possible that the component made of soft magnetic material for the first component of the electrical machine is made of iron lamellae or transformer plates. If an iron package of iron powder is used, conductor bars are inserted in grooves and thus in recesses of the iron package. In a further embodiment, the at least one circuit board is optionally pressed onto ends of the conductor bars. The rotor as the second component of the electric machine is to be inserted in the stator. Furthermore, the rotor and the stator can be used with the conductor bars, which surrounds the rotor, in the housing of the electric machine. Thereafter, the housing is closed.

In einer alternativen Variante werden die für die elektrische Maschine zu verwendenden Leiterstäbe mit einem Werkzeug fixiert. Danach kann das Eisenpulver um die Leiterstäbe herum gepresst oder spritzgegossen werden. In diesem Fall kann auf eine Isolierung der Leiterstäbe verzichtet werden, da das als weichmagnetisches Material zur Bereitstellung des Bauteils verwendete Eisenpulver isolierend ist.In an alternative variant, the conductor bars to be used for the electric machine are fixed with a tool. Thereafter, the iron powder can be pressed or injection-molded around the conductor bars. In this case, it is possible to dispense with insulating the conductor bars, since the iron powder used as a soft-magnetic material for providing the component is insulating.

Durch die vorgesehenen Maßnahmen ist es möglich, Leitungen zwischen den Wicklungen des Motors zu minimieren. Die Wicklungen werden durch Leiterstäbe bzw. leitfähige Stäbe, die bspw. über die mindestens eine Platine als Verbindungselement bzw. Verbindungsplatte miteinander verbunden sind, ersetzt. Die ansonsten üblichen Eisenlamellen werden durch das Eisenpulver als weichmagnetischem Material und/oder Verbundmaterial (SMC, soft magnetic composite) ersetzt, wodurch Wirbelströme minimiert werden können.By the measures provided it is possible to minimize lines between the windings of the motor. The windings are replaced by conductor bars or conductive rods which are, for example, connected to one another via the at least one printed circuit board as connecting element or connecting plate. The otherwise usual iron fins are replaced by the iron powder as a soft magnetic material and / or composite material (SMC, soft magnetic composite), whereby eddy currents can be minimized.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described schematically and in detail with reference to the drawing.

1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of an electrical machine according to the invention.

2 zeigt in schematischer Darstellung Details der elektrischen Maschine aus 1. 2 shows a schematic representation of details of the electrical machine 1 ,

Die in 1 in schematischer Schnittdarstellung gezeigte Ausführungsform der elektrischen Maschine 2 umfasst ein Gehäuse 4, in dem als Komponenten ein Stator 6 und ein Rotor 8 koaxial zu einer Welle 10 angeordnet sind, wobei hier der ortsfeste Stator 6 den drehbaren Rotor 8 koaxial umschließt. Die Welle 10 ist über zwei Wellenlager 12, 13, die hier an einer Vorderseite sowie an einer Rückseite des Gehäuses 4 befestigt sind, relativ zu dem Gehäuse 4 drehbar gelagert.In the 1 Shown in a schematic sectional illustration embodiment of the electrical machine 2 includes a housing 4 in which as components a stator 6 and a rotor 8th coaxial with a shaft 10 are arranged, in which case the stationary stator 6 the rotatable rotor 8th Coaxially encloses. The wave 10 is about two shaft bearings 12 . 13 that are here on a front as well as on a back of the case 4 are fixed relative to the housing 4 rotatably mounted.

Zudem weist der Rotor 8 in der beschriebenen Ausführungsform mehrere Permanentmagneten 30 auf, die mit der Welle 10 verbunden sind und diese umschließen. Der Stator 6 umfasst anstatt der ansonsten üblichen Wicklungen aus Draht hier mehrere Leiterstäbe 32 und somit elektrisch leitfähige Stäbe, die hier in Nuten von Eisenpaketen 33 als Bauteile aus weichmagnetischem Material des Stators 6 eingefügt und über eine erste Leiterplatte 34 als erstes Verbindungselement sowie eine zweite Platine 36 als zweites Verbindungselement miteinander verbunden sind. Hierbei ist jeweils ein erstes Ende eines Leiterstabs 32 mit der ersten Platine 34 und jeweils ein zweites Ende des Leiterstabs 32, das dem ersten Ende gegenüber liegt, mit der zweiten Platine 36 verbunden. Auf der mindestens einen Platine 34, 36 sind hier elektronische Bauelemente 38 angeordnet, die zwischen den Leiterstäben 32 geschaltet sind und diese verbinden. Ferner zeigt 1 ein Kontrollgerät 40 zum Kontrollieren eines Betriebs der elektrischen Maschine, das mit der ersten Platine 34 verbunden ist.In addition, the rotor has 8th in the described embodiment, a plurality of permanent magnets 30 on that with the wave 10 are connected and enclose them. The stator 6 includes instead of the otherwise usual windings of wire here several conductor bars 32 and thus electrically conductive rods, here in grooves of iron packets 33 as components made of soft magnetic material of the stator 6 inserted and over a first circuit board 34 as the first connecting element and a second circuit board 36 are connected together as a second connecting element. Here, in each case, a first end of a conductor bar 32 with the first board 34 and in each case a second end of the conductor bar 32 , which lies opposite the first end, with the second board 36 connected. On the at least one board 34 . 36 Here are electronic components 38 arranged between the conductor bars 32 are switched and connect them. Further shows 1 a control device 40 for controlling an operation of the electric machine connected to the first board 34 connected is.

Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine 2 wird durch die Leiterstäbe 32 des Stators 6 elektrischer Strom geleitet, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird, das mit Magnetfeldern der Permanentmagneten 30 zusammenwirkt, wodurch der Rotor 8 in Rotation versetzt wird.During operation of the electric machine 2 is through the ladder bars 32 of the stator 6 passed electrical current, whereby a magnetic field is generated, which with magnetic fields of the permanent magnets 30 interacts, causing the rotor 8th is set in rotation.

Die 2a, 2b, 2c und 2d zeigen Details der anhand von 1 vorgestellten Ausführungsform der elektrischen Maschine 2. Hierbei ist mit 2a ein Schaltungsschema, mit 2b ein Schnitt durch den Stator 6, mit 2c ein Schnitt durch die zweite Platine 36 und mit 2d ein Schnitt durch die erste Platine 34 gezeigt.The 2a . 2 B . 2c and 2d show details of using 1 presented embodiment of the electric machine 2 , This is with 2a a circuit diagram, with 2 B a section through the stator 6 , With 2c a section through the second board 36 and with 2d a section through the first board 34 shown.

Der Stator 6 und somit die elektrische Maschine weist hier in Ausgestaltung drei Phasen 42, 44, 46 bzw. Pole auf, wobei jeweils eine Phase 42, 44, 46 vier Leiterstäbe 32 umfasst, so dass der Stator 6 der elektrischen Maschine 2 insgesamt zwölf Leiterstäbe 32 aufweist. Dabei ist für eine erste Phase 42 eine Spannung U, für eine zweite Phase 44 eine Spannung V und für einen dritte Phase 46 eine Spannung W vorgesehen, wobei weiterhin jede Phase 42, 44, 46 in einen Pluspol, d. h. U, V, W, sowie in einen Minuspol, d. h. –U, –V, –W, aufgeteilt ist.The stator 6 and thus the electric machine has three phases here in an embodiment 42 . 44 . 46 or poles, each with a phase 42 . 44 . 46 four ladder bars 32 includes, so that the stator 6 the electric machine 2 a total of twelve ladder bars 32 having. It is for a first phase 42 a voltage U, for a second phase 44 a voltage V and for a third phase 46 provided a voltage W, wherein each phase 42 . 44 . 46 in a positive pole, ie U, V, W, as well as in a negative pole, ie -U, -V, -W, is divided.

Der Schnitt durch den Stator 6, wie anhand von 2b vorgestellt, zeigt die insgesamt zwölf Leiterstäbe 32 im Querschnitt. Dabei sind diese Leiterstäbe 32 in einem Eisenpaket 33 aus gepresstem Eisenpulver als weichmagnetischem Material angeordnet.The section through the stator 6 as based on 2 B presented, shows the total of twelve conductor bars 32 in cross section. These are conductor bars 32 in an iron package 33 made of pressed iron powder arranged as a soft magnetic material.

Über die zweite Platine 36, die in 2c in Schnittdarstellung schematisch gezeigt ist, sind die zweiten Enden der Leiterstäbe 32 miteinander verbunden. Außerdem sind die Leiterstäbe 32 jeweils einer Phase 42, 44, 46 über Induktivitäten 48 miteinander verbunden.About the second board 36 , in the 2c Shown schematically in section, the second ends of the conductor bars 32 connected with each other. In addition, the conductor bars 32 one phase each 42 . 44 . 46 via inductances 48 connected with each other.

Wie die schematische Schnittdarstellung zu der ersten Platine 34 aus 2d andeutet, sind über diese erste Platine 34 die ersten Enden der Leiterstäbe 32 miteinander verbunden, wobei hier ebenfalls zwischen Leiterstäben 32 derselben Phase 42, 44, 46 Induktivitäten 48 angeordnet sind. Außerdem ist hier jeweils ein Leiterstab 32 einer Phase 42, 44, 46 mit einem elektronischen Bauelement 38, hier einem Transistor, verbunden.Like the schematic sectional view to the first board 34 out 2d implies are about this first board 34 the first ends of the conductor bars 32 interconnected, here also between conductor bars 32 same phase 42 . 44 . 46 inductors 48 are arranged. There is also a ladder bar here 32 a phase 42 . 44 . 46 with an electronic component 38 , here a transistor, connected.

Claims

Electric machine, which as components a stator ( 6 ) and a rotor ( 8th ), wherein a first of these two components conductor bars ( 32 ) of electrically conductive material, which has at least one circuit board ( 34 . 36 ) are interconnected.

Electric machine according to claim 1, wherein a main axis of each of a conductor bar ( 32 ) to a main plane of the at least one board ( 34 . 36 ) is oriented vertically.

Electric machine according to Claim 1 or 2, in which the conductor bars ( 32 ) are arranged in a component of soft magnetic material.

Electric machine according to Claim 3, in which the soft magnetic material component is in the form of at least one iron core ( 33 ) made of iron powder is formed.

Electric machine according to one of the preceding claims, in which the conductor bars ( 32 ) are made of iron.

Method for producing an electric machine ( 2 ), for which as components a stator ( 6 ) and a rotor ( 8th ), wherein a first of the two components conductor bars ( 32 ) made of electrically conductive material which has at least one circuit board ( 34 . 36 ) are interconnected.

The method of claim 6, wherein the first component further comprises a soft magnetic material member comprising at least one iron core ( 33 ) is made of iron powder.

Method according to Claim 7, in which the conductor bars ( 32 ) in grooves of the iron package ( 33 ) to be ordered.

Method according to one of claims 6 to 8, wherein in each case a conductor bar ( 32 ) with the at least one board ( 34 . 36 ) is connected by a pressing process.

Method according to one of claims 6 to 9, wherein in each case a conductor bar ( 32 ) with the at least one board ( 34 . 36 ) is connected by a thermal joining method.