DE102015214106B3

DE102015214106B3 - Verbesserter Stator für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102015214106B3
Application number: DE102015214106.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Maier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: CN107580743A; US20180034328A1; CN107580743B; US10424979B2; WO2017016735A1

Abstract

Die Erfindung offenbart einen Stator für eine elektrische Maschine, mit – einer Mehrzahl Zähne, die je dazu ausgebildet sind, dass eine Wicklung daran angeordnet werden kann; – wobei die Zähne in einem ersten sich in axialer Richtung des Stators erstreckenden Bereich gegenüber der Längsachse einen ersten Winkel aufweisen; – wobei die Zähne in einem zweiten sich in axialer Richtung des Stators erstreckenden Bereich gegenüber der Längsachse einen zweiten Winkel aufweisen, der sich vom ersten Winkel unterscheidet; – ferner aufweisend einen dritten Bereich, in dem die Zähne elektrisch isoliert sind und der zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine mit verbesserten schwingungstechnischen sowie akustischen Eigenschaften.
Elektrische Maschinen werden unter anderem in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zu deren Antrieb verwendet. Eine elektrische Maschine umfasst typischerweise einen Stator, an dem eine Mehrzahl Wicklungen angeordnet ist, die ein Drehfeld erzeugen. Bei einem Innenläufer ist im Stator auf einer Welle ein Rotor angeordnet. Der Rotor kann Permanentmagneten oder Elektromagneten aufweisen. Der Stator wird üblicherweise mittels einer Mehrzahl übereinander angeordneter Bleche, so genannter Blechpakete, gebildet. Die Erfindung trifft sinngemäß auch für elektrische Maschinen bei einem Außenläufer zu.
Die Wicklungen sind teilweise auf Zähnen angeordnet. Zähne sind Bereiche, die sich vom im Wesentlichen zylinderförmigen Rotor bei Innenläufern in radialer Richtung nach innen erstrecken. Bei Drehung des Rotors im Stator wird durch den im allgemeinen schwankenden Induktivitätsverlauf eine Drehmomenten-Ungleichförmigkeit induziert. Diese Momentenschwankung führt unter anderem zu akustischen Anregungen die sich in Form von Schallemissionen äußern können.
Zur Reduzierung der Schallemission ist bekannt, die Zähne schräg zur axialen Richtung des Stators anzuordnen. Ein derartiger Stator ist beispielsweise in der DE 10 2010 026 263 A1 beschrieben.
Eine derartige lineare Schrägung der elektrischen Maschine in lediglich einer Richtung führt im Rotor in Achsrichtung des Rotors zu einer ungleichmäßigen Drehmomenterzeugung, die zu Torsionsschwingungen unter anderem innerhalb des Rotors und dadurch zu einer weiteren Schallemission führen.
Es wurde vorgeschlagen, die Zähne mit einer doppelten Schrägung, beispielsweise einer pfeilförmigen Schrägung auszubilden. Dadurch entstehen jedoch Isolationsprobleme bei Änderung des Schrägungswinkels. Insbesondere sind die Isolation der Nut zwischen den Zähnen und der Einsatz eines Deckschiebers kritisch, da die dabei verwendeten Materialien geknickt werden und folglich die Isolationseigenschaften verlieren oder zumindest vermindern.
Aus der DE 44 11 751 C2 ist eine mehrphasige elektrische Maschine bekannt, deren Stator oder Rotor an zwei gegenüberliegenden Oberflächen Nuten aufweist, in die eine Ringwicklung eingelegt ist, wobei die Nuten in den beiden Seiten in entgegengesetzte Richtungen geschrägt sind und die Ringwicklung aus in etwa rechteckförmigen Profilleitern besteht, deren Breite der Nutbreite entspricht.
Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine elektrische Maschine mit einer reduzierten Schallemission bzw. Schwingungsanregung zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Stator nach Anspruch 1 und eine elektrische Maschine nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beanspruchen bevorzugte Weiterbildungen.
Ein erfindungsgemäßer Stator für eine elektrische Maschine umfasst eine Mehrzahl Zähne, die dazu ausgebildet sind, dass eine Wicklung daran angeordnet werden kann. Die Zähne bzw. die Nuten zwischen den Zähnen weisen in einem ersten sich in axialer Richtung erstreckenden Bereich gegenüber der Längsachse einen ersten Winkel auf. Die Zähne bzw. die Nuten zwischen den Zähnen weisen in einem zweiten sich in axialer Richtung des Stators erstreckenden Bereich gegenüber der Längsachse einen zweiten Winkel auf, der der sich von dem ersten Winkel unterscheidet oder der dem ersten Winkel entgegengesetzt ist. Der Stator weist einen dritten Bereich auf, in dem die Zähne elektrisch isoliert sind oder aus Isolationsmaterial besteht und der zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordnet ist. Der dritte Bereich ist in axialer Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet.
Im dritten Bereich weisen die Zähne einen Winkel auf, der sich vom ersten und zweiten Winkel unterscheidet. Eine elektrische Isolation ist lediglich im ersten und im zweiten Bereich erforderlich. Die Isolation der Wicklungen gegenüber dem Stator kann also zweistückig ausgeführt werden.
Eine Ausführungform der Isolation kann einstückig ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Isolation im dritten Bereich durch eine gezielte Schwächung, beispielsweise durch Schnitte oder Prägungen, derart ausgeführt werden, dass das Isolationsmaterial der Änderung des Schrägungswinkels folgen kann. Folglich kann die Isolation der Wicklungen vom Stator in dem Bereich, in dem die Schrägung der Zähne vom ersten Winkel zum zweiten Winkel übergeht, nicht reißen. Erfindungsgemäß wird durch die zweifache komplementäre Schrägung die Schwingungsanregung und damit die Schallemission reduziert. Ferner wird eine gleichmäßigere Drehmomentabgabe erreicht.
Vorzugsweise verlaufen die Zähne bzw. die Nut dazwischen im dritten Bereich in axialer Richtung. Die Zähne und die Nut zwischen den Zähnen können im dritten Bereich ihren Winkel verändern, damit ein Übergang vom ersten Winkel zum zweiten Winkel geschaffen wird.
Der erste Bereich und der zweite Bereich kann zumindest 50%, mehr bevorzugt zu 75%, meist bevorzugt zu 95% aus einem ferromagnetischen Material gebildet sein. Typischerweise weisen der erste Bereich und der zweite Bereich je ein Blechpaket auf. Ein Blechpaket sind mehrere in axialer Richtung aneinander angeordnete Bleche, die voneinander elektrisch isoliert sind.
Im dritten Bereich können die Zähne parallel zur Längsachse des Stators angeordnet sein. Der erste Bereich kann durch ein erstes Statorelement gebildet sein, der zweite Bereich kann durch ein zweites Statorelement gebildet sein und der dritte Bereich kann durch ein drittes Statorelement gebildet sein, das zwischen dem ersten Statorelement und dem zweiten Statorelement angeordnet ist und aus einem elektrisch nicht leitenden Material gebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung wird der dritte Bereich durch ein separates massives Statorelement gebildet.
Der dritte Bereich kann mehrere Elemente aufweisen, deren Winkel gegenüber der Längsachse einstellbar ist. Dadurch kann der Stator einfacher hergestellt werden, da abrupte Übergänge vermieden werden. Die Elemente können aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein.
Bei einer anderen Ausgestaltung wird der erste Bereich durch ein erstes Statorelement gebildet, der zweite Bereich durch ein zweites Statorelement gebildet und der dritte Bereich durch eine Isolationsschicht gebildet, die radial einwärts und teilweise in Richtung axialen Ende des Stators auf einem Teil des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann der dritte Bereich durch eine vergleichsweise dünne Isolationsschicht, beispielsweise eine Folie gebildet sein. Zum Vermeiden von Luft- und Kriechstrecken kann die Folie mehrere mm dick sein.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst den zuvor beschriebenen Stator, Wicklungen, die auf den Zähnen des Stators angeordnet sind, zumindest ein erstes Isolationselement und zumindest ein zweites Isolationselement bei einer zweiteiliger Isolation. Das zumindest eine erste Isolationselement ist an dem ersten Bereich angeordnet und das zumindest eine zweite Isolationselement ist an dem zweiten Bereich angeordnet. Die Wicklung ist an dem ersten Isolationselement und dem zweiten Isolationselement angeordnet.
Wie zuvor erwähnt wurde, sind die Isolationselemente zweiteilig ausgebildet. Dadurch werden ein Knicken und/oder ein Reißen eines Isolationselementes am Übergang vom ersten Winkel zum zweiten Winkel des Zahns des Stators vermieden. Es ist möglich, ein Isolationselement vorzusehen, das alle Zähne des ersten Bereichs oder des zweiten Bereichs bedeckt. Es ist aber auch möglich, in jeder Nut zwischen zwei Zähnen des Stators ein separates Isolationselement vorzusehen.
Das zumindest eine erste Isolationselement kann an dem ersten Bereich und an einem Teil des dritten Bereichs angeordnet sein, und das zumindest eine zweite Isolationselement kann an dem zweiten Bereich und einem Teil des dritten Bereichs angeordnet sein.
Ein einstückiges Isolationselement kann an dem ersten Bereich, dem dritten Bereich und dem zweiten Bereich angeordnet ist und am dritten Bereich und/oder in der Umgebung des dritten Bereichs zumindest einen flexiblen Bereich aufweisen.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit der zuvor beschriebenen elektrischen Maschine.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, die eine exemplarische und nicht beschränkende Ausführungsform der Erfindung zeigen, detaillierter beschrieben, wobei
1 eine Explosionszeichnung des erfindungsgemäßen Stators zeigt,
2 eine schematische perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Stators zeigt;
3a bis 3d Zähne und Nuten sowie Isolationselemente des Stators zeigt;
4 einen erfindungsgemäßen Stator zeigt, der aus mehreren Blechpaketen aufgebaut ist; und
5 die Wickelköpfe an Stator zeigt.
Es wird auf 1 und 2 Bezug genommen, die schematisch eine Ausführungsform der Erfindung zeigen. Eine elektrische Maschine umfasst ein erstes Statorelement 102, ein zweites Statorelement 106 und ein drittes Statorelement 104. Die drei Statorelemente 102, 104, 106 sind ringförmig um jeweilige Mittellinien ausgebildet und so direkt nebeneinander angeordnet, dass deren Mittellinien bzw. deren Verlängerungen deckungsgleich sind. Das erste Statorelement 102 ist mit einer Mehrzahl sich in radialer Richtung einwärts erstreckenden Zähnen 108 ist an dem dritten Statorelement 104 mit einer Mehrzahl sich radial einwärts erstreckenden Zähnen 112 angeordnet. An dem dritten Statorelement ist an der Seite, die dem ersten Statorelement 102 entgegengesetzt ist, ein zweites Statorelement 106 mit einer Mehrzahl sich in radial einwärtiger Richtung erstreckenden Zähnen 114 angeordnet.
Das erste Statorelement 102 und das zweite Statorelement 106 sind aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise hochpermiable, weichmagnetische Stahlsorten, Elektroband, Elektroblech oder dergleichen, aufgebaut. Das Elektroband kann einen Dicke von etwa 0,25 bis etwa 0,5 mm aufweisen.
Derartige Materialien sind üblicherweise elektrisch leitend. Am ersten Statorelement 102 sind die Zähne 108 unter einem ersten Winkel 110 schräg zur Längsachse des Stators 100 angeordnet. Beim zweiten Statorelement 106 sind die Zähne 114 in einer zweiten Richtung 116 schräg zur Längsachse des Stators angeordnet. Der erste Winkel 110 und der zweite Winkel 116 sind einanderer entgegengesetzt, insbesondere sind der erste und der zweite Winkel symmetrisch bezogen auf das dritte Statorelement 104. Der erste Winkel 110 und der zweite Winkel 116 sind folgendermaßen definiert: Die Zähne 108 und 114 haben jeweils eine Mittelebene, die bei jedem Zahn mittig zwischen den beiden Außenflächen verläuft, die zu den benachbarten Zähnen weisen. Diese Mittebene jedes Zahns 108, 114 schneidet die Mittellinie des jeweiligen ersten und zweiten Statorelements 102, 106. Dabei wird der erste Winkel 110 zwischen der Mittelebene jedes Zahns 108 und der Mittellinie des ersten Statorelements 102 ausgebildet (d. h. der erste Winkel ist kleiner als 90°). Der zweite Winkel 116 wird zwischen der Mittelebene jedes Zahns 114 und der Mittellinie des zweiten Statorelements 106 ausgebildet (d. h. Winkel ist kleiner als 90°).
Das dritte Statorelement 104 ist aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, beispielsweise Kunststoff, Isolationspapier, Aramidpapier, Laminate, Keramik oder dergleichen.
Am dritten Statorelement 104 sind die Zähne 112 parallel zur Längsachse des Stators ausgerichtet.
Die Erfindung hat bei zweiteiliger Isolation den Vorteil, dass sich Isolationselemente nicht über die gesamte Länge des Stators 100 erstrecken müssen.
Es wird auf 3a bis 3d Bezug genommen, wobei 3a eine Draufsicht auf einen Stator 100, 3b eine Explosionsdarstellung des Stators 100, 3c Isolierelemente 118, 124 und den dritten Bereich 104 und 3d einen Schnitt entlang der Linie A-A von 3a zeigt. Zwischen zwei Zähnen 108 des ersten Statorelementes und zwei Zähnen 112 des dritten Statorelementes und zwei Zähnen 114 des zweiten Statorelementes 106 erstreckt sich eine Nut 118. In der Nut 118 ist ein erstes Isolationselement 120 angeordnet, das sich über das erste Statorelement 102 und einen Teil des dritten Statorelementes 104 in der Nut 118 erstreckt. Ein zweites Isolationselement 122 erstreckt sich in der Nut 118 über das zweite Statorelement 106 und einen Teil des dritten Statorelementes 104. Das erste Isolationselement 120 und das zweite Isolationselement 122 können ein Aramidfasermaterial oder ein Laminat aus Isolationswerkstoffen aufweisen. Die Dicke des ersten und des zweiten Isolationselementes kann zwischen 0,1 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,25 mm bis 0,4 mm betragen. Über den Nuten 118 und den Wicklungen (nicht gezeigt) können Deckschieber 124 angeordnet sein, um die Wicklungen besser zu isolieren.
Es wird auf 4 Bezug genommen, die einen Stator mit einer Mehrzahl Blechpakete zeigt. Das erste Statorelement 102 weist eine Mehrzahl Bleche auf, die aneinander angeordnet sind. Die Zähne 108 des Blechpaketes 102 verlaufen unter einem ersten Winkel 110 schräg zur Längsachse des Stators 100. Das dritte Statorelement 104 ist durchgehend ausgebildet, beispielsweise aus Kunststoff. Das zweite Statorelement 106 ist aus einer Mehrzahl Bleche gebildet, die aneinander angeordnet sind. Die Zähne des zweiten Statorelementes 106 verlaufen unter einem zweiten Winkel 116 schräg zur Längsachse des Stators 100, wobei der zweite Winkel 116 dem ersten Winkel 110 entgegengesetzt ist.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die Wicklungen in den Nuten 118 nicht gezeigt.
5 zeigt die Position der Wickelköpfe 124 am ersten Bereich 102 und am zweiten Bereich 106.
Der erfindungsgemäße Stator hat den Vorteil, dass Schwingungsanregungen und damit die Schallemissionen reduziert werden und eine Beschädigung von Isolationselementen für die Wicklung vermieden werden kann.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Claims

Stator (100) für eine elektrische Maschine, mit – einer Mehrzahl Zähne (108, 112, 114), die je dazu ausgebildet sind, dass eine Wicklung daran angeordnet werden kann; – wobei die Zähne (108) in einem ersten sich in axialer Richtung des Stators erstreckenden Bereich (102) gegenüber der Längsachse einen ersten Winkel (110) aufweisen; – wobei die Zähne (112) in einem zweiten sich in axialer Richtung des Stators erstreckenden Bereich (106) gegenüber der Längsachse einen zweiten Winkel (116) aufweisen, der sich vom ersten Winkel (110) unterscheidet; – ferner aufweisend einen dritten Bereich (104), in dem die Zähne elektrisch isoliert sind und der zwischen dem ersten Bereich (102) und dem zweiten Bereich (106) angeordnet ist.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Winkel dem ersten Winkel entgegengesetzt ist.
Stator (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Bereich (102, 106) zumindest zu 50%, mehr bevorzugt zu 75% meist bevorzugt zu 95% aus einem ferromagnetischen Material gebildet sind.
Stator (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (102) und der zweite Bereich (106) ein Blechpaket aufweisen.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne im dritten Bereich (104) parallel zur Längsachse des Stators angeordnet ist.
Stator (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich durch ein erstes Statorelement (102) gebildet ist, der zweite Bereich durch ein zweites Statorelement (106) gebildet ist und der dritte Bereich durch ein drittes Statorelement (104) gebildet ist, das zwischen dem ersten Statorelement (102) und dem zweiten Statorelement (106) angeordnet ist und aus einem nicht elektrisch leitenden Material gebildet ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich (104) mehrere Elemente umfasst, deren Winkel gegenüber der Längsachse einstellbar ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich durch ein erstes Statorelement (102) gebildet ist, der zweite Bereich durch ein zweites Statorelement (106) gebildet ist und der dritte Bereich (104) durch eine Isolationsschicht gebildet ist, die sich radial einwärts auf einem Teil des ersten Bereichs und einem Teil des zweiten Bereichs erstreckt.
Elektrische Maschine mit – dem Stator (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – einer Mehrzahl Wicklungen (124), die auf den Zähnen des Stators (100) angeordnet sind, – zumindest ein erstes Isolationselement (118) und zumindest ein zweites Isolationselement (112); – wobei das zumindest eine erste Isolationselement (118) an dem ersten Bereich (102) angeordnet sind und das zumindest eine zweite Isolationselement (122) an dem zweiten Bereich (106) angeordnet sind und die Wicklungen (124) an dem zumindest einem ersten und dem zumindest einem zweiten Isolationselement (118, 122) angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine erste Isolationselement (118) an dem ersten Bereich (102) und einem Teil des dritten Bereichs (104) angeordnet ist und das zumindest eine zweite Isolationselement (122) an dem zweiten Bereich (106) und einem Teil des dritten Bereichs (104) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement an dem ersten Bereich (102), dem dritten Bereichs (104) und dem zweiten Bereich (106) angeordnet ist und am dritten Bereich und/oder in der Umgebung des dritten Bereichs zumindest einen flexiblen Bereich aufweist.