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Spulen müssen bekanntlich gegenüber einem Grundkörper, zum Beispiel dem Stator, isoliert werden, damit es zwischen Wicklung und Grundkörper zu keinem elektrischen Kurzschluss kommen kann. Ein solcher Grundkörper dient zunächst als Träger für die Spulen, erfüllt bei elektrischen Maschinen zugleich aber weitere Funktionen, insbesondere die Leitung des magnetischen Flusses, Gehäuse- und Lagerfunktionen sowie die Abfuhr von Verlustwärme. Die verschiedenen Funktionen führen teils zu konträren konstruktiven Anforderungen, so auch in Bezug auf die Positionierung und Isolation von Spulendrähten. Die elektrische Isolation der Spulenwicklung wird herkömmlich zumeist durch Isolierpapiere oder durch Kunststoffumspritzung des Grundkörpers erreicht.
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Die
EP 2 031 734 B1 zeigt eine elektrische Rotationsmaschine mit einem Rotor und einem Stator, der einen Kern umfasst, in welchem eine Nut ausgebildet ist. Innerhalb der Nut des Kerns ist eine Nutauskleidung zum Isolieren eines in der Nut platzierten Leiters und des Kerns angeordnet. Die Nutauskleidung beinhaltet eine primäre Isolationsbahn, die sich entlang der Achse der Rotationsmaschine erstreckt und eine Länge aufweist, welche größer als die Länge des Kerns ist. Die Nutauskleidung umfasst weiterhin Verstärkungsbahnen, die separat in der Nähe der Enden des Kerns und mit Abstand zueinander angeordnet sind, welche die primäre Isolationsbahn gegen eine auf diese aufgebrachte Last verstärken.
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Die
DE 10 2012 216 573 A1 beschreibt ein Verfahren zum Einlegen von Draht in Form von wenigstens einer Spule in einen Spulenraum mit einer Anzahl von Spulennuten eines Statorsegments. In einem ersten Schritt wird Isolierpapier in den Spulenraum derart eingelegt, dass es im eingelegten Zustand zwei gegenüberliegende Schenkel aufweist, welche zumindest abschnittsweise aus der jeweiligen Spulennut heraus in einer Richtung senkrecht zu einer Längsachse des Statorsegments über das jeweilige Statorsegment vorsteht. Nachfolgend wird der Spulendraht in den Spulenraum eingelegt. Abschließend werden die beiden Isolierpapier-Schenkel eines in einer Spulennut eingelegten Isolierpapiers verbunden, wobei diese zumindest teilweise und wenigstens im Bereich der jeweiligen vorstehenden Abschnitte miteinander verbunden werden. Die Isolierpapierschenkel stehen mindestens um 1,5 mm und vorzugsweise um 2 bis 5 mm vor.
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Die
DE 20 2007 007 391 U1 zeigt einen Stator umfassend ein Statorbleckpaket mit Statornuten, durch welche jeweils Teilwicklungen einer Statorwicklung verlaufen. Das Statorblechpaket ist an seinen beiden Stirnseiten sowie innerhalb der Nuten mit einem isolierenden Kunststoffmaterial umspritzt. Dies dient einerseits zur Isolierung der Teilwicklungen innerhalb der Statornuten und andererseits zur Isolierung des Wickelkopfes im Bereich der Stirnseiten gegenüber dem Statorblechpaket. Bei diesem Teil der Isolierung des wickelkopfseitigen Bereiches handelt es sich jeweils um eine Stirnisolation.
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Zur Auswahl geeigneter Isolationsstoffe bzw. Isolationssysteme dienen verschiedene Kriterien, wie mechanische Festigkeit, Durchschlagfestigkeit und thermischer Durchgangskoeffizient. Die bislang eingesetzten Isolationsstoffe bieten zwar in der Regel eine ausreichende mechanische Festigkeit und die erforderlichen Durchschlagfestigkeiten, behindern aber gleichzeitig aufgrund ihres geringen Wärmedurchgangskoeffizienten den Wärmetransport von der Wärmequelle, zum Beispiel der Spule, zur Wärmesenke, zum Beispiel in den Grundkörper. Aus dem Stand der Technik sind zwar Kunststoffe mit Wärmeleitfähigkeiten von etwa 2 W/mK (nach ISO 22007-2) bekannt. Um diese Kunststoffe als Isolationsstoffe einsetzen zu können, müssten jedoch die Wandstärken in Abhängigkeit der Grundkörperlänge bzw. der Fließstrecke im Vergleich zu den Dicken herkömmlicher Isolierpapiere erhöht werden. Hierdurch würde sich der positive Effekt der Wärmeleitfähigkeit verringern, da der Wärmedurchgangskoeffizient mit zunehmender Wandstärke abnimmt. Isolierpapiere sind meist dünner und können unabhängig von der Länge des Grundkörpers bei gleicher Dicke eingesetzt werden. Der Nachteil von Isolierpapieren besteht darin, dass diese bedingt durch die erforderlichen mechanischen Festigkeitswerte nur Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von etwa 0,15 W/mK aufweisen und somit einen verhältnismäßig geringen Wärmedurchgangskoeffizienten besitzen.
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Um dennoch hohe Wärmedurchgangskoeffizienten zu erreichten, müsste die Isolation einen hohen Wärmeleitfähigkeitswert und gleichzeitig eine geringe Wärmeleitstrecke, d. h. eine geringe Isolationsschichtdicke, aufweisen. Aus dem Stand der Technik sind Wärmeleitfolien bekannt, welche eine ähnliche Dicke wie Isolierpapiere aufweisen aber wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeiten besitzen. Die Wärmeleitfähigkeiten von Wärmeleitfolien liegen bei etwa 3 bis 5 W/mK. Somit würde sich der Wärmedurchgangskoeffizient verglichen mit dem Wärmedurchgangskoeffizienten von Isolierpapieren um etwa das 20 bis 33 fache erhöhen. Wärmeleitfolien werden bislang in der Elektromotorenfertigung jedoch nicht eingesetzt, da deren mechanische Festigkeit zu gering ist und die Folien während der Montage der Spulen einreißen bzw. zerquetscht werden würden. Bei der derzeit eingesetzten Nutisolation mit Isolierpapier steht das Isolierpapier etwa 3 mm über den Rand des Grundkörpers (Blechpaket) hinaus, um notwendige Luft- und Kriechstrecken einhalten zu können. Alternativ ist der Einsatz von Isolierkappen als Stirnisolation bekannt. Isolierkappen greifen in entsprechender Tiefe in die Nut ein und bilden einen Absatz zur Ebene der Nutflanken. Hierdurch bilden sich größere Luftstrecken zwischen Spulendraht, Isoliermaterial und der Nutflanke als Temperatursenke auf, wodurch ein ausreichender Wärmetransport verhindert wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Anordnung zur elektrischen Isolation einer Spulenwicklung zur Verfügung zu stellen, bei der sichergestellt ist, dass die während des Betriebs der Spule entstehende Wärme durch die elektrische Isolation gut abgeleitet werden kann, gleichzeitig aber die elektrischen und mechanischen Anforderungen erfüllt werden.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen Grundkörper mit mindestens einer Nut mit einer Bodenfläche und zwei Flanken. Die Nut dient der Aufnahme von mindestens einer Spulenwicklung. Weiterhin besitzt die Anordnung eine Stirnisolation zur Isolierung der Spulenwicklung gegenüber dem Grundkörper. Der Grundkörper weist an mindestens einem Ende mindestens einen abgesetzten Bereich auf. Die Stirnisolation umfasst mindestens einen sich in Längsrichtung der Nut erstreckenden und zumindest teilweise im Bereich der Nut liegenden Isolationsabschnitt. Der Isolationsabschnitt ist zumindest teilweise innerhalb des abgesetzten Bereichs des Grundkörpers angeordnet und erhebt sich in der Nut nicht über die Ebene der Bodenfläche hinaus.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass durch den in den Grundkörper eingebrachten abgesetzten Bereich der Isolationsabschnitt derart angeordnet werden kann, dass er die Bodenfläche der Nut nicht überragt. Hierdurch kann eine sichere Anlage des Isolationsabschnitts am Grundkörper gewährleistet werden. Auf diese Weise wird ein Abstand zwischen Isolation und Grundkörper vermieden. Der über die Nut gespannte Wicklungsdraht liegt am Grundkörper ohne Bildung von Hohlräumen an. Somit werden Luftstrecken zwischen Wicklungsdraht, Isolation und Grundkörper wirksam vermieden, so dass ein guter Wärmetransport vom Spulendraht zum Grundkörper stattfinden kann.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der abgesetzte Bereich im Bereich der Nut angeordnet. Der Grundkörper ist hierbei vorzugsweise über die gesamte Nut abgesenkt. Der Isolationsabschnitt füllt den abgesetzten Bereich zumindest teilweise aus und bildet mit den Nutflanken eine Ebene. Alternativ kann der Isolationsabschnitt auch leicht zurückgesetzt sein.
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Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, den Isolationsabschnitt mit einem abgesenkten Abschnitt auszustatten, welcher innerhalb des abgesetzten Bereichs des Grundkörpers angeordnet ist. Bei Anordnung des abgesetzten Bereichs des Grundkörpers im Bereich der Nut wird sich der abgesenkte Abschnitt des Isolationsabschnitts vorzugsweise über die gesamte Nut erstrecken und zur Aufnahme der Spulenwicklung dienen. Die nicht abgesenkten Abschnitte des Isolationsabschnitts sorgen in diesem Fall für einen festen Halt der Spulenwicklung.
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Der Isolationsabschnitt kann nach einer vorteilhaften Ausführungsform als separate Kappe zum Aufstecken auf den Grundkörper ausgeführt sein. Er muss jedoch nicht vom Grundkörper abnehmbar sein. Alternativ kann der Isolationsabschnitt direkt an den Grundkörper angespritzt sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Grundkörper an seinen beiden axialen Enden mit mindestens einem abgesetzten Bereich zur zumindest teilweisen Aufnahme jeweils eines Isolationsabschnitts versehen.
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Die Tiefe des abgesetzten Bereichs des Grundkörpers entspricht mindestens der Wandstärke des Isolationsabschnitts. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Isolationsabschnitt den Grundkörper radial nicht überragt. Es entstehen im Anlagebereich der Spulendrähte somit keine Unebenheiten.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist innerhalb der Nut des Grundkörpers eine Nutisolation angeordnet. Die Nutisolation ist vorzugsweise in Form einer Wärmeleitfolie mit geringer mechanischer Festigkeit ausgeführt. Wärmeleitfolien zeichnen sich durch eine gute Wärmeleitfähigkeit aus. Somit kann die in der Nut entstehende Wärme gut abgeführt werden. Die Tiefe des abgesetzten Bereichs im Grundkörper wird in der Regel so gewählt, dass durch Überlappen mit der Nutisolation die erforderlichen Kriechstrecken zwischen Stirnisolation und Nutisolation eingehalten werden.
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Der Grundkörper ist vorzugsweise als Statorblechpaket ausgeführt. Das Statorblechpaket umfasst eine Anzahl von Zähnen und zwischen den Zähnen ausgebildete Nuten. Im Bereich der Nuten weist das Statorblechpaket abgesetzte Bereiche zur Aufnahme jeweils eines Isolationsabschnitts auf. Das Statorblechpaket kann als Komplettschnitt hergestellt werden, d. h. aus umlaufenden Einzelblechen. Alternativ kann das Statorblechpaket auch aus Blechpaketsegmenten mit jeweils mehreren Zähnen und Nuten bestehen. Ebenso sind Ausführungen möglich, bei denen das Statorblechpaket aus Einzelzähnen besteht. Bei Einzelzahnschnitten sollten sich benachbarte Isolationsabschnitte zur Einhaltung der erforderlichen Luft- und Kriechstrecken überlappen. Alternativ kann auch eine mechanisch unkritische Verlängerung der Nutisolation erfolgen.
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Der Isolationsabschnitt weist im Bereich der Nut umlaufend oder teilweise umlaufend einen Absatz auf. Durch diesen Absatz wird die mechanische Last auf das weichere Isolationsmaterial, d. h. auf die zur Nutisolation vorzugsweise dienende Wärmeleitfolie, reduziert.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer ersten Ausführungsform;
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2 eine perspektivische Teilansicht der erfindungsgemäßen Anordnung in einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine perspektivische Teilansicht der erfindungsgemäßen Anordnung mit eingelegter Spulenwicklung.
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1 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines axialen Endes einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer ersten Ausführungsform. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen Grundkörper 01 in Form eines Statorblechpakets. Der Grundkörper 01 besteht aus einer Anzahl von miteinander verbundenen geblechten Einzelzähnen 02 und zwischen den Einzelzähnen 02 ausgebildete, sich axial erstreckende Nuten 03. In 1 ist nur ein Teil eines Einzelzahns 02 des Grundkörpers dargestellt. Die Nuten 03 dienen zur Aufnahme mindestens einer Spulenwicklung 04 (siehe 3).
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Der Grundkörper 01 weist an mindestens einem seiner axialen Enden im Bereich der Nuten 03 abgesetzte Bereiche 05 auf. Jedem Einzelzahn 02 ist ein Isolationsabschnitt 07 zugeordnet, welcher zumindest teilweise innerhalb des abgesetzten Bereichs 05 angeordnet ist. Die Tiefe des abgesetzten Bereichs 05 entspricht mindestens der Wanddicke des Isolationsabschnitts 07. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Isolationsabschnitt 07 die Bodenfläche der Nut 03 nicht überragt, der zur Verfügung stehende Wicklungsraum also nicht eingeschränkt wird. Der Isolationsabschnitt 07 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, welches nicht stromleitend ist. Vorzugsweise wird ein geeigneter Kunststoff verwendet. Der Isolationsabschnitt 07 dient als Stirnisolation zur elektrischen Isolierung der Spulenwicklung 04 gegenüber dem Grundkörper 01. Er kann als separate Kappe zum Aufstecken auf den Grundkörper 01 ausgeführt sein. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit den Isolationsabschnitt 07 an den Grundkörper 01 anzuspritzen. Neben seiner eigentlichen elektrischen Isolationsaufgabe führt der Isolationsabschnitt 07 beim Wickeln der Spulenwicklung 04 die Spulendrähte, schützt diese vor Beschädigung und bildet später im Betrieb einen festen Halt für die Spulenwicklung 04. Der Isolationsabschnitt 07 füllt den abgesetzten Bereich 05 mindestens teilweise aus und bildet mit den Nutflanken eine Ebene oder ist leicht zurückgesetzt. Der Isolationsabschnitt 07 weist im Bereich der Nut 03 einen abgesenkten Abschnitt 08 auf. Der abgesenkte Abschnitt 08 besitzt vorzugsweise abgerundete Kanten 09, welche dafür sorgen, dass der Spulendraht beim Wickeln nicht beschädigt wird. Die sich über den abgesenkten Abschnitt 08 am Außendurchmesser des Grundkörpers 01 erstreckende Fläche 10 des Isolationsabschnitts 07 weist eine Ausnehmung 11 auf, welche beispielsweise zur Wärmeableitung dient oder auch für den Anschluss von Temperatursensoren oder dergleichen genutzt werden kann.
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Innerhalb der Nut 03 ist vorzugsweise eine Nutisolation (nicht dargestellt) angeordnet. Als Nutisolation wird bevorzugt eine Wärmeleitfolie verwendet, um die in der Nut 03 während des Betriebs entstehende Wärme gut abführen zu können. Der abgesetzte Bereich 05 des Grundkörpers 01 ist so auszuführen, dass durch Überlappen mit der Nutisolation die erforderlichen Kriechstrecken zwischen Isolationsabschnitt 07 und Nutisolation eingehalten werden.
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2 zeigt eine perspektivische Teilansicht des axialen Endes der erfindungsgemäßen Anordnung in einer zweiten Ausführungsform. Im Vergleich zu der in 1 gezeigten Ausführung ist der Isolationsabschnitt 07 in axialer Richtung länger ausgeführt und ragt axial entsprechend weiter in die Nut 03 des Grundkörpers 01.
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3 zeigt eine perspektivische Teilansicht der erfindungsgemäßen Anordnung mit in den Grundkörper 01 eingelegter Spulenwicklung 04. 3 kann insbesondere entnommen werden, dass die in die Nut 03 des Grundkörpers 01 eingelegte Spulenwicklung 04 von den Flächen 10, 12 des Isolationsabschnitts 07 begrenzt wird. Der Isolationsabschnitt 07 sorgt somit zusätzlich auch für die Halterung der Spulenwicklung 04 an den Stirnseiten der Zähne.
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Durch die erfindungsgemäße Isolationsanordnung kann die während des Betriebs entstehende Verlustleistung im Vergleich zu den vorbekannten Isolationslösungen wesentlich besser abgeführt werden. Durch die bessere Abfuhr der Verlustleitung kann beispielsweise die Leistungsdichte von Elektromotoren, welche Statorblechpakete in Form derartiger Grundkörper verwenden, verbessert werden.
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Die beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich zwar auf Statorblechpakete bestehend aus miteinander verbundenen Einzelzähnen 02. Es sind jedoch ebenso Ausführungen mit Komplettschnitten oder Blechpaketsegmente mit mehreren Nuten 03 und Zähnen 02 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Grundkörper
- 02
- Einzelzahn
- 03
- Nut
- 04
- Spulenwicklung
- 05
- abgesetzter Bereich des Grundkörpers
- 06
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- 07
- Isolationsabschnitt
- 08
- abgesenkter Abschnitt des Isolationsabschnitts
- 09
- abgerundete Kanten des Isolationsabschnitts
- 10
- Fläche des Isolationsabschnitts
- 11
- Ausnehmung im Isolationsabschnitt
- 12
- Fläche des Isolationsabschnitts
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2031734 B1 [0002]
- DE 102012216573 A1 [0003]
- DE 202007007391 U1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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