DE102017130361A1 - Stator tooth and stator with good electrical insulation and at the same time very high thermal conductivity to increase the performance of electric motors - Google Patents

Stator tooth and stator with good electrical insulation and at the same time very high thermal conductivity to increase the performance of electric motors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Statorzahn (1) einer Drehfeldmaschine, einen Polschuh (1a) und einen Polkern (1b) aufweisend, wobei der Statorzahn (1) Längsseiten (L) und Stirnseiten (S) aufweist und von einer elektrischen Isolierung (2, 20, 200) ganz oder bereichsweise bedeckt oder ummantelt ist, die zur elektrischen Isolation der Wicklung (5) gegenüber dem Statorzahn (1) dient, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung ein oder mehrteilig ausgebildet ist, und mindestens ein Teil oder Bereich der Isolierung (2, 20, 200) oder die gesamte Isolierung (2, 20, 200) aus einem Material mit einer Wärmeleiteigenschaft von größer 1 W/mK, besonders bevorzugt größer 5 W/mK, gebildet ist.The invention relates to a stator tooth (1) of a rotating field machine having a pole shoe (1a) and a pole core (1b), wherein the stator tooth (1) has longitudinal sides (L) and end faces (S) and is protected by electrical insulation (2, 20, 200) is completely or partially covered or sheathed, which is used for electrical insulation of the winding (5) relative to the stator tooth (1), characterized in that the electrical insulation is formed one or more parts, and at least a portion or region of the insulation (2 , 20, 200) or the entire insulation (2, 20, 200) is formed from a material having a heat-conducting property of greater than 1 W / mK, particularly preferably greater than 5 W / mK.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Statorzahn für einen Stator einer Drehfeldmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a stator tooth for a stator of a rotating field machine according to the preamble of claim 1.

Stand der Technik:State of the art:

Bekannte Drehfeldmaschinen bzw. Elektromotoren sind in der Regel als permanenterregte Innen- oder Außenläufermotoren ausgeführt. Diese werden zunehmend als elektrischer Antriebsmotor von Zweiradfahrzeugen, Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), sowie in mittels Propeller angetriebenen Antriebssystemen im maritimen Bereich und der Luftfahrt eingesetzt. Effizienz ist insbesondere bei mittels Batterien bzw. Li-Ionen-Batterie angetriebenen Fahrzeugen, Schiffen und auch neuerdings Elektroflugzeuge die primäre Auslegungsgröße, da durch die Effizienz die Größe der Batterie und somit die Gesamtkosten primär bestimmt werden. In der Gesamtbetrachtung sind jedoch auch die Kosten des E-Motors zu beachten, wodurch ein kosteneffizienter Einsatz von verschiedensten Materialien notwendig und relevant ist. Im Luftfahrtbereich, insbesondere bei elektrisch angetriebenen Flugzeugen ist neben der Effizient zudem die Leistungsdichte zu beachten, weshalb der Einsatz von Permanentmagneten im Allgemeinen bevorzugt wird.Known induction machines or electric motors are usually designed as permanent-magnet internal or external rotor motors. These are increasingly used as an electric drive motor of two-wheeled vehicles, passenger cars (PKW), trucks (trucks), as well as propeller-driven propulsion systems in the maritime sector and aviation. Efficiency is the primary design choice, especially for vehicles powered by batteries or Li-ion battery, ships, and more recently electric aircraft, since efficiency is the primary factor determining the size of the battery and thus the overall cost. In the overall view, however, the cost of the electric motor must be considered, making a cost-efficient use of various materials is necessary and relevant. In the aviation sector, in particular in electrically powered aircraft, in addition to the efficiency, the power density must also be taken into account, which is why the use of permanent magnets is generally preferred.

Um eine hohe Effizienz und Leistungsdichte zu erreichen, werden neben dem Einsatz von Permanentmagneten diverse Maßnahmen zur Reduzierung der Verluste vorgenommen. Unterschieden werden Kupferverluste in den Spulen, die Eisenverluste in allen eisenhaltigen und magnetkreisrelevanten Motorkomponenten und die Reibungsverluste in den Lagern.In order to achieve high efficiency and power density, various measures are taken to reduce the losses in addition to the use of permanent magnets. A distinction is made between copper losses in the coils, the iron losses in all ferrous and magnetic circuit-relevant engine components, and the friction losses in the bearings.

Um Kupferverluste zu reduzieren, wird die Einzelzahntechnik sowie Wickelung von Einzelzähnen bzw. Doppelzähnen favorisiert. Mit der Einzelzahnwickeltechnik kann die Erregerspule präzise gewickelt werden, wodurch der Kupferfüllgrad bei Elektromotoren erhöht wird. Bei Außenläufern wird neben Einzelzahltechnik auch Wickeltechnik mit Biegestator, wie in EP0815860 beschrieben, eingesetzt.In order to reduce copper losses, single tooth technique as well as winding of single or double teeth is favored. With the single-tooth winding technique, the exciting coil can be wound precisely, thereby increasing the degree of copper filling in electric motors. In external runners is in addition to single number technique also winding technology with bending stator, as in EP0815860 described, used.

Um Eisenverluste zu reduzieren, werden geblechte Statoren mit geringer Blechdicke, insbesondere Si-Fe-Bleche mit Blechdicken <= 0,3 mm sowie geblechte Rotoren bzw. optional zur Reduzierung der Wirbelstromverluste auch gestückelte Permanentmagnete eingesetzt. Zudem werden zunehmend Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit, insbesondere Permanentmagnete mit hoher Remanenz und gleichzeitig hoher Koerzitivfeldstärke HCJ eingesetzt. Diese hohe Temperaturbeständigkeit führt zu sehr hohen Kosten, da z.B. derartige Permanentmagnete einen hohen Dysprosium-Anteil aufweisen. Zudem sind Statorbleche mit sehr geringen Verlusten (Blechdicke 0,1-0,2 mm) oder hohem Sättigungsgrad (z.B. Co-Eisen-Bleche) sehr teuer.In order to reduce iron losses, laminated stators with a small sheet thickness, in particular Si-Fe sheets with sheet thicknesses <= 0.3 mm and bladed rotors or optionally also used to reduce the eddy current losses and broken permanent magnets. In addition, materials with high temperature resistance, in particular permanent magnets with high remanence and at the same time high coercive force H CJ , are increasingly being used. This high temperature resistance leads to very high costs, since, for example, such permanent magnets have a high dysprosium content. In addition, stator laminations with very low losses (sheet thickness 0.1-0.2 mm) or high degree of saturation (eg Co-iron sheets) are very expensive.

Aus dem Stand der Technik sind jedoch wenige Ansätze bekannt, wie die Leistung des Motors durch sehr effiziente Wärmeleitung zur Erhöhung der Wärmeabfuhr des Motors gesteigert werden kann.From the prior art, however, few approaches are known as the performance of the engine can be increased by very efficient heat conduction to increase the heat dissipation of the engine.

In WO 2010/099974 ist zum Beispiel ein Doppelrotor mit einer sehr aufwändigen Wasserkühlung realisiert. Die Kühlkanäle werden in einem Duroplast-Spritzgießprozess realisiert und verlaufen zwischen den Erregerspulen vom Gehäuse zum Wickelkopf und am Wickelkopf umgelenkt. Eine derartige Kühlung ist extrem kostenintensiv und zudem nicht optimal, da Wickelraum für Kupferspulen verloren geht.In WO 2010/099974 For example, a double rotor is realized with a very complex water cooling. The cooling channels are realized in a thermoset injection molding process and run between the excitation coils from the housing to the winding head and deflected at the winding head. Such cooling is extremely expensive and also not optimal, since winding space for copper coils is lost.

Ein anderer Ansatz zur Wärmeleitung ist in WO2010/099975 realisiert. Bei diesem Doppelrotormotor wird der Stator mit einem Duroplastmaterial mit guten Wärmeleiteigenschaften umspritzt. Gleichzeitig muss bei der Auswahl des Duroplastmaterials Wert auf Steifigkeit gelegt werden, da die Umspritzung des Stators im wesentlich zur Stabilität des freitragenden Stators im Betrieb beiträgt. Weiter ist in WO2010/099975 offenbart, dass durch den Verguss und der guten Wärmeleiteigenschaften des Duroplastmaterials der Wärmeübergang vom Wickelkopf der Erregerspulen zum Gehäuse verbessert werden kann.Another approach to heat conduction is in WO2010 / 099975 realized. In this twin-rotor engine, the stator is overmoulded with a thermoset material having good thermal conduction properties. At the same time, emphasis must be placed on rigidity in the selection of the thermoset material, since the encapsulation of the stator contributes substantially to the stability of the self-supporting stator during operation. Next is in WO2010 / 099975 discloses that the encapsulation and the good thermal conduction properties of the thermoset material, the heat transfer from the winding head of the excitation coils can be improved to the housing.

Die in WO2010/099975 offenbarte Lösung hat jedoch einige Schwächen. Zum einem muss beim Duroplast-Spritzguss primär die Festigkeit beachtet werden und somit kann bei der Auswahl des Materials nicht ausschließlich auf die Wärmeleiteigenschaften Wert gelegt werden. Zudem ist das Verfahren mit einem Material mit zugleich hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit sehr kostenintensiv, da der komplette Stator erst im Duroplastvergussverfahren seine finale Stabilität und Wärmeleitfähigkeit erhält. Die Statorzähne müssen während des Gussverfahrens sehr solide fixiert werden, da beim Duroplast-Spritzguss mit hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Zudem ist ein hoher Materialeinsatz mit sehr teuren Füllstoffen (Wärmeleiter z.B. Bor-Nitrid, festigkeitsverbessernde Materialen wie z.B. Kohlefaser oder Glasfaser) erforderlich. Zuletzt erlaubt das Konzept des Doppelrotormotors eine Wärmeleitung prinzipbedingt nur in eine Richtung.In the WO2010 / 099975 However, the solution disclosed has some weaknesses. On the one hand, in thermoset injection molding, primarily the strength must be taken into account, and thus, in the selection of the material, it is not only possible to emphasize the heat conduction properties. In addition, the method with a material with high strength and high thermal conductivity is very costly because the complete stator receives its final stability and thermal conductivity only in the Duroplastvergussverfahren. The stator teeth must be fixed very solid during the casting process, since the thermoset injection molding is operated with high injection pressures. In addition, a high material use with very expensive fillers (heat conductors such as boron nitride, strength-improving materials such as carbon fiber or glass fiber) is required. Finally, the concept of the double-rotor motor allows thermal conduction in one direction only.

Weitere gängige Optimierungsmethoden sind der Einsatz von Statorzahnendstücken aus Kunststoff sowie die Isolation des Mittelbereichs durch eine dünne Kapton-Folie mit akzeptablem Leitwert (0,12-0,3 W/mK) und ausreichender Durchschlagfestigkeit > 2 kV. Eine derartige Ausgestaltung des Statorzahns ist in 1 illustriert. Diese spezifische Wärmeleitfähigkeit von den nicht dargestellten Wicklungen hin zum Statorzahn ist vergleichbar mit den in der Regel aus Kunststoff hergestellten Endstücken. Durch die Dünnwandigkeit der Kapton-Folie kann jedoch über diesen Wärmepfad mehr Wärme übertragen werden. Durch die dünne Folie wird die Wärmestrecke von Erregerspule zum Stator hin reduziert sowie der Kupferfüllgrad erhöht, da die dünnwandige Kapton-Folie mehr Raum für die Kupferspulen im Wickelfenster zulässt. Diese Isolationstechnik wird jedoch in erster Linie eingesetzt, um den Kupferfüllgrad der Elektromotoren zu verbessern. Eine verbesserte Kühlleistung resultiert daraus nicht, da üblicherweise die Spule nicht an der Kapton-Folie anliegt und somit sich ein gewisser Luftspalt zwischen der heißen Spule und der wärmeabführenden Kapton-Folie und der Erregerspule befindet, was bedingt ist durch die fehlende Präzision in der Wickeltechnik.Further common optimization methods are the use of plastic stator teeth end pieces and the insulation of the middle area by a thin Kapton foil with an acceptable conductance (0.12-0.3 W / mK) and sufficient dielectric strength> 2 kV. Such a configuration of the stator tooth is in 1 illustrated. This specific Thermal conductivity of the windings, not shown towards the stator tooth is comparable to the usually made of plastic end pieces. Due to the thinness of the Kapton film, however, more heat can be transferred via this heat path. The thin film reduces the heat path from the excitation coil to the stator and increases the degree of copper filling, since the thin-walled Kapton film allows more space for the copper coils in the winding window. However, this isolation technique is primarily used to improve the degree of copper filling of the electric motors. An improved cooling performance does not result because usually the coil is not applied to the Kapton film and thus there is a certain air gap between the hot coil and the heat dissipating Kapton film and the exciter coil, which is due to the lack of precision in the winding technique.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, die Wärmeabfuhr von den Wicklungen über den Statorzahn bzw. Stator zu verbessern.The object of the invention is to improve the heat dissipation of the windings on the stator tooth or stator.

Lösung der gestellten AufgabeSolution of the task

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Statorzahn nach Anspruch 1 bzw. einem Stator nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Statorzahns bzw. Stators ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.This object is achieved with a stator tooth according to claim 1 and a stator according to claim 11. Advantageous embodiments of the stator tooth or stator result from the features of the subclaims.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Wärmeabfuhr von den Wicklungen über den bzw. die Statorzähne zu verbessern. Die notwendige elektrische Isolierung ist aus einem Material mit hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit, wobei gleichzeitig die Isolierung ganz oder bereichsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere von größer 1 W/mK, besonders bevorzugt von größer 5W/mK, aufweist. Die elektrische Isolierung kann dabei ein- oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei mindestens ein Teil oder Bereich der Isolierung oder die gesamte Isolierung eine Wärmeleiteigenschaft von größer 1 W/mK, bevorzugt größer 5 W/mK, aufweist.The invention is based on the idea of improving the heat dissipation from the windings via the stator teeth. The necessary electrical insulation is made of a material with high electrical breakdown strength, at the same time the insulation wholly or partially a high thermal conductivity, in particular greater than 1 W / mK, more preferably greater than 5W / mK. The electrical insulation may be formed in one or more parts, wherein at least a portion or region of the insulation or the entire insulation has a thermal conductivity of greater than 1 W / mK, preferably greater than 5 W / mK.

Der Statorzahn weist einen Polschuh und einen Polkern auf und hat jeweils zwei Längs- und Stirnseiten wobei insbesondere der Polkern von der elektrischen Isolierung ganz oder bereichsweise bedeckt oder ummantelt ist, welche zur elektrischen Isolation der Wicklung gegenüber dem Statorzahn dient.The stator tooth has a pole shoe and a pole core and in each case has two longitudinal and end sides, wherein in particular the pole core is completely or partially covered or sheathed by the electrical insulation, which serves to electrically insulate the winding with respect to the stator tooth.

In einer vorteilhaften ersten Ausführungsform kann die elektrische Isolierung zwei oder mehrere jeweils eine Stirnseite eines oder mehrerer Statorzähne umgreifende Isolierkörper aufweisen. Diese können vorteilhaft an ihrer der Wicklung zugewandten Außenseite Rillen zur Führung der Spulendrähte der Wicklung(en) aufweisen. Diese Isolierkörper können in axialer Richtung auf den Statorzahn bzw. Stator aufgeschoben werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Isolierkörper an den Statorzahn bzw. Stator angespritzt werden. Sie können aus einem Thermoplast oder Duroplast gebildet sein.In an advantageous first embodiment, the electrical insulation can have two or more insulating bodies each encompassing an end face of one or more stator teeth. These may advantageously have grooves on their outside facing the winding for guiding the coil wires of the winding (s). This insulating body can be pushed in the axial direction of the stator tooth or stator. However, it is also possible that the insulating body are molded onto the stator tooth or stator. They can be formed from a thermoplastic or thermosetting plastic.

In einer zweiten möglichen Ausführungsform ist die elektrische Isolierung durch eine Vergussmasse gebildet, welche mittels eines Spritzgussverfahrens um den Statorzahn bzw. aller Statorzähne des Stators gleichzeitig aufgebracht wird. Diese Vergussmasse kann aus einem Thermoplast oder Duroplast gebildet sein. Sofern außer der Vergussmasse keine weiteren Maßnahmen zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Isolierung vorgesehen sind, ist die Vergussmasse durch ein Duroplast mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 1 W/mK, bevorzugt größer 5 W/mK, gebildet.In a second possible embodiment, the electrical insulation is formed by a potting compound, which is applied by means of an injection molding process to the stator tooth or all stator teeth of the stator simultaneously. This potting compound may be formed of a thermoplastic or thermosetting plastic. If, apart from the potting compound, no further measures are provided to increase the thermal conductivity of the insulation, the potting compound is formed by a thermoset having a thermal conductivity of greater than 1 W / mK, preferably greater than 5 W / mK.

Vorteilhaft kann bei den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen an mindestens einer Längsseite eines oder aller Polkerne jeweils mindestens ein, insbesondere festes und formstabiles, Wärmeleitelement, insbesondere in Form einer Platte, anliegen. Jedes Wärmeleitelement kann dabei in einer für es vorgesehenen, insbesondere fensterartigen, Ausnehmung der elektrischen Isolierung, welche durch aufgeschobene Isolierkörper oder eine Spritzgussmasse gebildet ist, einliegen. Vorteilhaft kann das Wärmeleitelement eine Wärmeleitfähigkeit von größer 5 W/mK aufweisen.Advantageously, at least one, in particular solid and dimensionally stable, heat-conducting element, in particular in the form of a plate, abut against at least one longitudinal side of one or all of the pole cores in the two embodiments described above. Each heat-conducting element can in this case be inserted in a recess provided for it, in particular window-like, of the electrical insulation, which is formed by pushed-on insulating bodies or an injection molding compound. Advantageously, the heat-conducting element can have a thermal conductivity of greater than 5 W / mK.

Es ist jedoch auch möglich, dass die Wärmeleitelemente in axialer Richtung zwischen zwei Isolierkörpern angeordnet sind, welche jeweils in axialer Richtung auf die Stirnseiten des Statorzahns bzw. Stators aufgeschoben auf die Stirnseiten aufgespritzt sind. Dabei können sich die Isolierkörper zur Bildung eines Fensters zur Aufnahme des Wärmeleitelementes axial entlang des Wärmeleitelementes erstrecken, derart, dass sich die beiden auf gegenüberliegenden Stirnseiten angeordneten Isolierkörper berühren. Bei dieser Ausführungsform weist zumindest das Wärmeleitelement eine Wärmeleitfähigkeit von größer 5 W/mK auf.However, it is also possible that the heat-conducting elements are arranged in the axial direction between two insulating bodies, which are each injected in the axial direction on the end faces of the stator tooth or stator sprayed onto the end faces. In this case, the insulating body to form a window for receiving the heat-conducting element may extend axially along the heat-conducting element, such that touch the two disposed on opposite end faces insulator. In this embodiment, at least the heat-conducting element has a thermal conductivity of greater than 5 W / mK.

Die Wärmeleitelemente liegen vorteilhaft unmittelbar an einem möglichst großen Teil der Seitenfläche oder der ganzen Längsseite des Polkerns an und können aus Keramik oder auf Keramikbasis gefertigt sein.The heat-conducting elements are advantageously located directly on as large a part of the side surface or the entire longitudinal side of the pole core and can be made of ceramic or ceramic-based.

Vorteilhaft kann das Wärmeleitelement eine größere Dicke aufweisen als der angrenzende Wandbereich des Isolierkörpers bzw. der Isolierung, so dass sichergestellt ist, dass das Wärmeleitelement in gutem Kontakt mit den Spulendrähten der Wicklung(en) ist.Advantageously, the heat-conducting element can have a greater thickness than the adjacent wall region of the insulating body or of the insulation, so that it is ensured that the heat-conducting element is in good contact with the coil wires of the winding (s).

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die der Wicklung zugewandte Seite des Wärmeleitelementes der Kontur der Wicklung angepasst ist, z.B. im Querschnitt konkav oder konvex und/oder mit Rillen versehen, ausgebildet ist, so dass möglichst alle außen liegenden Spulendrähte der angrenzenden Wicklung(en) an dem Wärmeleitelement mit möglichst großer Fläche anliegen und damit ein bestmöglicher Wärmeübergang gewährleistet ist. It is also advantageous if the side of the heat-conducting element facing the winding is adapted to the contour of the winding, for example being concave or convex and / or grooved in cross-section, so that as far as possible all external coil wires of the adjacent winding (s) are formed the heat conduction element with the largest possible area and thus ensure the best possible heat transfer is guaranteed.

Es versteht sich von selbst, dass der zuvor beschriebene Statorzahn ein Statorzahn eines Außenstators oder eines Innenstators sein kann.It goes without saying that the stator tooth described above can be a stator tooth of an external stator or an internal stator.

Ebenso wird ein Stator beansprucht, welcher mehrere zuvor beschriebene Statorzähne aufweist. Dabei können die Statorzähne selbstverständlich, wie aus dem Stand der Technik bekannt geblecht ausgebildet sein. Zudem können sie über einen inneren Ring (Innenstator) bzw. äußeren Ring (Außenstator) mit einander in Verbindung sein. Sie können dabei mit dem Ring einstückig ausgebildet oder mit ihrem Polkern auf den Ring axial aufgeschoben und in radialer Richtung formschlüssig gehalten sein.Likewise, a stator is claimed which has a plurality of stator teeth described above. Of course, the stator teeth can be formed as known from the prior art. In addition, they can be connected to each other via an inner ring (inner stator) or outer ring (outer stator). They can be integrally formed with the ring or pushed axially with its pole core on the ring and held in a form-fitting manner in the radial direction.

Der erfindungsgemäße Stator kann axial stirnseitige Isolierkörper aufweisen, welche mehrere oder alle Statorzähne des Stators stirnseitig entsprechend der oben beschriebenen ersten Ausführungsform umgreifen. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die elektrische Isolierung mittels einer Spritzgussmasse (zweite mögliche Ausführungsform) gebildet ist, wobei die Spritzgussmasse ein Duroplast oder ein Thermoplast sein kann und zumindest die Polkerne vollständig oder mit Ausnahme von Ausnehmungen zur Aufnahme von Wärmeleitelementen umschließen.The stator according to the invention may have axially end-side insulating body, which engage around several or all stator teeth of the stator end side according to the first embodiment described above. However, it is also possible that the electrical insulation by means of an injection molding compound (second possible embodiment) is formed, wherein the injection molding compound may be a thermosetting plastic or a thermoplastic and enclose at least the pole cores completely or with the exception of recesses for receiving heat conducting elements.

Dabei bilden zwei benachbarte Statorzähne zwischen sich jeweils eine Wicklungsnut, deren Nutgrund durch die Wandung des die Statorzähne miteinander verbindenden Rings gebildet ist. Die elektrische Isolierung kann dabei auch den Nutgrund der Wicklungsnuten bedecken. So können sich die zuvor beschriebenen stirnseitigen Isolierteile auch über den Nutgrund erstrecken. Es ist jedoch auch möglich, dass die die elektrische Isolierung bildende Spritzgussmasse den Nutgrund bedeckt und so die elektrische Isolierung bildet. Auch können gesonderte Einlegeteile, die sich axial entlang des Nutgrundes erstrecken und an diesem anliegen, vorgesehen sein. Diese können an ihrer der Wicklungsnut zugewandten Seite eine Form aufweisen, welche den angrenzenden Wicklungen angepasst ist, so dass deren außenliegenden Spulendrähte an dem Einlegeteil anliegen und ein guter Wärmeübergang erzielt wird.In this case, two adjacent stator teeth each form a winding groove whose groove base is formed by the wall of the stator teeth connecting ring. The electrical insulation can also cover the groove bottom of the winding grooves. Thus, the front-side insulating parts described above can also extend over the groove bottom. However, it is also possible that the injection molding compound forming the electrical insulation covers the groove base and thus forms the electrical insulation. Also, separate inserts, which extend axially along the groove bottom and abut against this, may be provided. These may have on their side facing the winding groove a shape which is adapted to the adjacent windings, so that their outer coil wires abut the insert and a good heat transfer is achieved.

Der Raum zwischen den Wicklungen in den Wicklungsnuten kann bei allen zuvor beschriebenen möglichen Ausführungsformen vorteilhaft zusätzlich mittels einer weiteren Vergussmasse vergossen sein, derart, dass keine Luft zwischen den Spulendrähten der Wicklungen mehr vorhanden ist. Diese Vergussmasse kann vorteilhaft eine Wärmeleitfähigkeit von größer 0,25 W/mK, bevorzugt größer 1,0 W/mK aufweisen.The space between the windings in the winding grooves can be cast advantageously in all the possible embodiments described above additionally by means of a further potting compound, such that no air between the coil wires of the windings longer exists. This potting compound may advantageously have a thermal conductivity of greater than 0.25 W / mK, preferably greater than 1.0 W / mK.

Durch den gezielten Einsatz von isolierenden Wärmeleitern für die erfindungsgemäßen Wärmeleitelemente, d.h. speziellen Materialien mit sehr guten Wärmeleiteigenschaften > 1 bis 100 W/mK und gleichzeitig hoher elektrischen Durchschlagfestigkeit >5 kV/mm (Platten, Stifte vorzugsweise aus Bor-Nitrid- oder anderen Keramiken, wie z.B. Aluminiumoxid oder -nitrid mit Wärmeleitwerten von bis zu 30 bis 100 W/mK und Siliziumcarbid von bis zu 130 W/mK) kann der Wärmetransport von den sich aufgrund der Kupferverluste erwärmenden Erregerspulen zum Stator optimiert werden. Alternativ kann ein Verbundmaterial aus einem Kunststoff-Compound mit Beimischungen von wärmeleitfähigem Material eingesetzt werden, wodurch beliebige Wärmeleiteigenschaften bei kostengünstiger Herstellbarkeit bei niedrigen Materialkosten ermöglicht werden. Diese Compounde werden vorteilhafterweise bei der Komplettumspritzung von Statoren oder Einzelzähnen verwendet. Hierdurch wir ein vorteilhafterweise ein möglichst geringes spezifisches Temperaturgefälle relativ zu den Motorverlusten ΔT/PV,Motor zwischen Wärmesenke und den Verlustquellen im Innenbereich des Motors erreicht.Through the targeted use of insulating heat conductors for the heat-conducting elements according to the invention, ie special materials with very good thermal conduction properties> 1 to 100 W / mK and at the same time high dielectric strength> 5 kV / mm (plates, pins preferably of boron-nitride or other ceramics, such as alumina or nitride with thermal conductivities of up to 30 to 100 W / mK and silicon carbide of up to 130 W / mK), the heat transfer can be optimized by the heating coil due to the copper losses exciting coils to the stator. Alternatively, a composite material made of a plastic compound with admixtures of thermally conductive material can be used, whereby any heat conduction properties at low cost manufacturability are made possible at low material costs. These compounds are advantageously used in the complete extrusion of stators or single teeth. In this way, we advantageously achieve the lowest possible specific temperature gradient relative to the engine losses ΔT / P V, the engine between the heat sink and the loss sources in the interior of the engine.

Durch die Erfindung wird vorteilhaft eine Verbreiterung des thermisch stabilen Leistungsbereichs des Elektromotors erreicht, da die Bauteile des Elektromotors nur bis zu einer jeweiligen maximalen Betriebstemperatur zugelassen sind. So können Erregerspulen in der Regel bis 200 °C sowie Permanentmagnete des Rotors bei magnetischem Gegenfeld bis max. 160 °C betrieben werden. Wird das Temperaturgefälle zwischen Wärmesenke und Verlustquelle durch sehr gute Wärmeleitung optimiert, reduzieren sich zum einem die Kupferverluste, da der Kupferwiderstand mit Temperatur abnimmt und zum anderen kann der Elektromotor mit höheren Strömen betrieben werden oder alternativ bei gleicher Leistung durch bessere Wärmeabfuhr weniger Kupfer eingesetzt werden. Weniger Kupfer reduziert das Gewicht sowie die Herstellkosten. Auch kann im Sinne der Kostenoptimierung auf teure Statorblechpakete, z.B. mit 0,1 - 0,2 mm Blechdicke verzichtet werden, wenn die höheren Verluste durch entsprechende Wärmeleitung optimiert werden.As a result of the invention, a broadening of the thermally stable power range of the electric motor is advantageously achieved since the components of the electric motor are only permitted up to a respective maximum operating temperature. Thus, excitation coils can usually up to 200 ° C and permanent magnets of the rotor in magnetic opposing field to max. 160 ° C are operated. If the temperature gradient between the heat sink and the loss source is optimized by very good heat conduction, the copper losses are reduced, since the copper resistance decreases with temperature and, secondly, the electric motor can be operated at higher currents or, alternatively, less copper can be used with the same output due to better heat dissipation. Less copper reduces weight and manufacturing costs. Also, in terms of cost optimization, expensive stator laminations, e.g. be dispensed with 0.1 - 0.2 mm sheet thickness, if the higher losses are optimized by appropriate heat conduction.

Nachfolgend werden mögliche Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.Hereinafter, possible embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to drawings.

Es zeigen:

  • 1: Statorzahn mit Isolierfolie typischerweise aus Kapton, nach dem Stand der Technik;
  • 2a: perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Statorzahns mit zwei stirnseitigen Isolierkörpern und axial dazwischen angeordnetem Wärmeleitelement;
  • 2b: eine Querschnittsdarstellung durch den Statorzahn gem. 2a im Bereich eines Isolierkörpers;
  • 2c und 2d: Seitenansichten auf den Isolierkörper;
  • 2e: Seitenansicht und Querschnittsdarstellung durch ein Wärmeleitelement;
  • 3: Statorzahn wie in 1b, wobei jedoch die stirnseitigen Isolierkörper über die gesamte axiale Länge des Statorzahns mit möglichst kleiner Trennfuge bedecken und zusammen jeweils eine fensterartige Ausnehmung für die Aufnahme eines Wärmeleitelementes an mindestens einer Polkernlängsseite bilden.
  • 4: erfindungsgemäßer Statorzahn mit einer umspritzten Isolierung, welche an jeder Polkernlängsseite zwei Ausnehmungen zur Aufnahme von jeweils einem Wärmeleitelement bildet;
  • 5: erfindungsgemäßer Statorzahn mit einer umspritzten Isolierung aus einem Duroplast mit einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit;
  • 6: vier mögliche Ausführungsformen eines Stators, wobei jeweils in einem Quadranten A bis D eine mögliche Ausführungsform eines Stators dargestellt ist.
Show it:
  • 1 : Stator tooth with insulating film typically made of Kapton, according to the prior art;
  • 2a : perspective view of a stator tooth according to the invention with two end-side insulating bodies and axially interposed heat conducting element;
  • 2 B a cross-sectional view through the stator tooth acc. 2a in the region of an insulating body;
  • 2c and 2d : Side views of the insulating body;
  • 2e : Side view and cross-sectional view through a heat conducting element;
  • 3 : Stator tooth like in 1b However, wherein the end-side insulating body over the entire axial length of the stator tooth cover with the smallest possible parting line and together each form a window-like recess for receiving a heat conducting element on at least one Polkernlängsseite.
  • 4 : Statorzahn according to the invention with an overmolded insulation, which forms two recesses on each Polkernlängsseite for receiving in each case a heat conducting element;
  • 5 : Stator tooth according to the invention with an overmoulded insulation made of a thermoset with a material with good thermal conductivity;
  • 6 Four possible embodiments of a stator, wherein in each case in a quadrant A to D, a possible embodiment of a stator is shown.

Die 1 zeigt einen Statorzahn 1 in Einzelzahnwickeltechnik mit Isolierkörpern 2 an der Stirnseite S des Statorzahns 1 und einer Isolationsfolie 3 in der Nut im Bereich des Polkerns 1b gemäß dem Stand der Technik. Diese sogenannten Isolierkörper 2 werden vorzugsweise aus günstigen und spritzgussfähigen Kunststoffen gefertigt und bieten zugleich durch die Oberfläche 2a, 2d der Isolierkörper 2 Unterstützung bei der Fertigbarkeit. Im speziellen kann durch die Geometrie 2a, 2d der Isolierkörper 2 die Wickelbarkeit der ersten Leiterlage der Statorwicklung vorgegeben werden und wirkt sich vorteilhaft auf den Füllgrad des Kupfers am Statorzahn aus. Nachteilig hingegen ist, dass der Kunststoff des Isolierkörpers 2 sowie die Isolationsfolie 3 nicht nur die elektrische Leitfähigkeit vermindert, sondern auch thermisch eine isolierende Wirkung besitzt.The 1 shows a stator tooth 1 in single-tooth winding technique with insulating bodies 2 on the front side S of the stator tooth 1 and an insulation film 3 in the groove in the area of the pole core 1b according to the prior art. These so-called insulating body 2 are preferably made of cheap and injection-moldable plastics and offer at the same time through the surface 2a . 2d the insulating body 2 Support for manufacturability. In particular, by the geometry 2a . 2d the insulating body 2 the windability of the first conductor layer of the stator winding can be specified and has an advantageous effect on the degree of filling of the copper on the stator tooth. The disadvantage, however, is that the plastic of the insulator 2 as well as the insulation film 3 not only reduces the electrical conductivity, but also thermally has an insulating effect.

Die 2a zeigt eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen perspektivisch dargestellten Statorzahns 1, welcher wie der in 1 dargestellte Statorzahn 1 mit Isolierkörpern 2 am Wickelkopf versehen ist, jedoch mit dem Unterschied, dass die herkömmlich verwendete Isolationsfolie 3, welche typischerweise aus Kapton gefertigt ist, ersetzt worden ist durch ein Wärmeleitelement 4 in Form einer Platte. Das Wärmeleitelement 4 weist eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit auf. Es kann aus einem Werkstoffe wie z.B. Keramik bzw. Werkstoff auf Keramikbasis gefertigt sein. So ist vorteilhaft an jeder Längsseite L des Polkerns 1b mindestens ein Wärmeleitelement 4 angeordnet, wobei diese(s) möglichst großflächig an dem Polkern 1b anliegt(en), besonders bevorzugt an der gesamten Längsseite L des Polkerns 1b. Die hierdurch wesentlich erhöhte Wärmeleitfähigkeit in der Nut erlaubt es, den Kühlpfad von der Erregerspule 5 zum Statorzahn 1 signifikant zu verbessen.The 2a shows a possible embodiment of a perspective tooth according to the invention shown in perspective 1 , which like the one in 1 illustrated stator tooth 1 with insulators 2 is provided on the winding head, but with the difference that the conventionally used insulation film 3 , which is typically made of Kapton, has been replaced by a heat conducting element 4 in the form of a plate. The heat-conducting element 4 has a much higher thermal conductivity and a high dielectric strength. It can be made of a material such as ceramic or ceramic-based material. This is advantageous on each longitudinal side L of the pole core 1b at least one heat conducting element 4 arranged, this (s) as large as possible on the pole core 1b abuts (s), more preferably on the entire longitudinal side L of the pole core 1b , The thus significantly increased thermal conductivity in the groove allows the cooling path of the exciter coil 5 to the stator tooth 1 to significantly improve.

Wie in 2b zu erkennen ist, liegt der Isolierkörper 2 mit seiner Innenseite vollflächig an den Polkern 1b sowie Bereichen des magnetischen Rückschlusses des Pols, also des Polrückschlusses 1c und des Polschuhs 1a an.As in 2 B can be seen, is the insulating body 2 with its inside over the entire surface of the pole core 1b and areas of the magnetic return of the pole, so the Polrückschlusses 1c and the pole shoe 1a on.

Jeder Isolierkörper weist einen stirnseitigen Bereich 2a auf, an den sich im Bereich des Übergangs vom Polkern 1b hin zum Polschuh 1a ein kragenförmiger Abschnitt 2b angrenzt. Im Bereich des Übergangs vom Polkern 1b hin zum Polrückschluss 1c grenzt ebenfalls ein kragenförmiger Abschnitt 2c an den mittleren Bereich 2a an. Der Isolierkörper 2 liegt nicht nur an der Stirnseite 1 des Statorzahns 1 an, sondern greift auch noch seitlich um diesen herum und liegt auch an einem kurzen Abschnitt der Längsseite L des Statorzahns insbesondere im Bereich des Polkerns 1b mit seinem Bereich 2d an (2c und 2d). Der Bereich 2d weist im Bereich des Polkerns 1b zudem an seiner Außenfläche Rillen für die Führung der ersten Lage der Spulendrähte der Erregerwicklung auf. Der Bereich des Polkerns 1b bildet zusammen mit dem Polrückschluss 1c und dem Polschuh 1a eine Nut N zur Aufnahme der Spulendrähte bzw. der Wicklung.Each insulating body has a frontal area 2a on, in the area of the transition from the pole core 1b towards the pole piece 1a a collar-shaped section 2 B borders. In the area of the transition from the pole core 1b towards the pole conclusion 1c also borders a collar-shaped section 2c to the middle area 2a on. The insulator 2 is not just on the front 1 of the stator tooth 1 but also engages laterally around this and is also located on a short section of the long side L of the stator tooth, in particular in the region of the pole core 1b with his area 2d on ( 2c and 2d) , The area 2d points in the area of the pole core 1b also on its outer surface grooves for guiding the first layer of the coil wires of the field winding on. The area of the polkernel 1b forms together with the pole conclusion 1c and the pole piece 1a a groove N for receiving the coil wires or the winding.

2e zeigt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeleitelements 4, welches als rechteckige Platte mit einer Dicke D ausgebildet ist. Die Dicke D sollte dabei vorteilhaft dicker ausgestaltet sein als die Dicke der seitlichen Vorsprünge 2d der Isolierteile 2, damit sichergestellt ist, dass das Wärmeleitelement 4 in unmittelbarem Kontakt mit der inneren Lage der Spulendrähte ist. Das Wärmeleitelement 4 ist aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit (> 5 W/mK) weist zugleich eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit auf. So kann es z.B. aus Bor-Nitrid gefertigt sein. 2e shows a possible embodiment of the heat conducting element according to the invention 4 , which is a rectangular plate with a thickness D is trained. The fat D should be designed thicker advantageous than the thickness of the lateral projections 2d the insulating parts 2 to ensure that the heat conducting element 4 is in direct contact with the inner layer of the coil wires. The heat-conducting element 4 is made of a material with high thermal conductivity (> 5 W / mK) at the same time has a high electrical insulation capacity. For example, it can be made of boron nitride.

Die 3 zeigt eine weitere mögliche Optimierungsmöglichkeit des in den 2a-e dargestellten und beschriebenen erfindungsgemäßen Statorzahns. Dabei ist jeweils ein Isolationskörper 2 an den beiden Wickelköpfen des Statorzahns 1 angeordnet, wobei die Isolationskörper 2 neben der Funktion der elektrischen Isolation und der Verbesserung der Spulenwickelbarkeit auch eine Haltevorrichtung für die beidseits des Polkerns 1b angeordneten Wärmeleitelemente 4 bilden. Das Wärmeleitelement 4 kann dabei das gleiche sein wie in der Ausführungsform gemäß der 2a bis 2f.The 3 shows another possible optimization of the in the 2a-e illustrated and described stator tooth according to the invention. Each is an insulating body 2 at the two winding heads of the stator tooth 1 disposed the insulation body 2 in addition to the function of electrical insulation and the improvement of Spulenwickelbarkeit a holding device for the both sides of the pole core 1b arranged Wärmeleitelemente 4 form. The heat-conducting element 4 can be the same as in the embodiment according to the 2a to 2f ,

Die 4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Statorzahns 1, bei dem die elektrische Isolierung 200 direkt an den Statorkern 1b gespritzt ist. Dabei können beim Umspritzvorgang gleichzeitig der obere Kragen 200b und der untere Kragen 200c sowie der Nutgrund mit Rillen 200a zur verbesserten Drahtführung ausgebildet werden. Zudem werden beim Umspritzvorgang mittels mindestens eines Schiebers eine oder mehrere Aussparungen 200e für anschließend einlegbare Wärmeleitelemente 4a freigehalten. Alternativ kann nach dem Umspritzen die äußere Kontur 200a maschinell freigelegt werden.The 4 shows a further possible embodiment of a stator tooth according to the invention 1 in which the electrical insulation 200 directly to the stator core 1b sprayed. At the same time, the upper collar can be used during the encapsulation process 200b and the lower collar 200c as well as the groove bottom with grooves 200a be formed for improved wire guidance. In addition, during the extrusion process by means of at least one slide one or more recesses 200e for subsequently insertable heat conducting elements 4a kept free. Alternatively, after encapsulation, the outer contour 200a be exposed by machine.

Die 5 zeigt eine weitere Variante der Statorzahnumspritzung, bei der der Isolationskörper 7, 7a, 7b, 7c, 7d im Duroplastverfahren direkt an den Statorkern 1b gespritzt wird. Das Granulat, welches zur Statorumspritzung verwendet wird, enthält bereits die zu einer optimierten Wärmeführung benötigten Keramikbeifügungen. Es entsteht somit ein Bauteil, was sowohl hinsichtlich mechanischer und thermischer Stabilität, elektrischem Isolationsgrad und wärmeleitender Wirkung optimiert ist.The 5 shows a further variant of Statorzahnumspritzung, wherein the insulation body 7 . 7a . 7b . 7c . 7d in thermoset process directly to the stator core 1b is injected. The granules which are used for Statorumspritzung already contains the required for an optimized heat transfer ceramic admixtures. This results in a component, which is optimized both in terms of mechanical and thermal stability, electrical insulation and heat-conducting effect.

Bei den Ausführungsformen der 2 bis 4 werden die isolierenden Wärmeleitelemente 4, 4a zwischen Spule und Stator entlang der axialen Erstreckung des Statorzahns angebracht und dienen einem deutlich verbesserten Wärmeübergang zwischen Spule und Stator über annähernd die gesamte axiale Länge des Stators. Im Wickelkopfbereich bzw. Stirnseite S der Statorzähne 1 werden vorzugsweise drahtführende und isolierende Kunststoffendstücke in Form von Isolierkörpern 2, 20 vorgesehen, welche aufgesetzt oder angespritzt sein können. Dabei können die Wärmeleitelemente 4, 4a entweder kraftschlüssig durch die Isolierkörper 2, 20 positioniert oder formschlüssig mit dem Statorzahn verbunden sein, so dass möglichst ein sehr geringer Abstand und eine ausreichende Stabilität realisiert werden.In the embodiments of the 2 to 4 become the insulating Wärmeleitelemente 4 . 4a between coil and stator along the axial extent of the stator tooth and serve a significantly improved heat transfer between the coil and stator over approximately the entire axial length of the stator. In the winding head area or end face S of the stator teeth 1 are preferably wire-leading and insulating plastic end pieces in the form of insulators 2 . 20 provided, which may be placed or molded. In this case, the heat-conducting elements 4 . 4a either frictionally by the insulator 2 . 20 be positioned or positively connected to the stator tooth, so that if possible, a very small distance and sufficient stability can be realized.

Alternativ kann der Statorzahn, wie in 4 dargestellt und beschrieben im Thermoplast-Spritzgussverfahren mit einem Standard-Kunststoff umspritzt werden und ein Bereich entlang der Seitenflächen des Polkerns 1b ausgespart sein, so dass dort in einem nachfolgenden Schritt eine oder mehrere Wärmeleitplatten 4a bzw. ein Verbundkonzept mit mehreren Wärmeleitelementen eingefügt werden kann.Alternatively, the stator tooth, as in 4 represented and described in the thermoplastic injection molding process with a standard plastic to be encapsulated and an area along the side surfaces of the pole core 1b be recessed so that there in a subsequent step, one or more heat conduction plates 4a or a composite concept with a plurality of heat-conducting elements can be inserted.

Weiterhin kann der Statorzahn, wie in 5 dargestellt, komplett im Duroplast-Spritzgussverfahren mit einem wärmeleitenden Material mit hohem spezifischen Leitwert, z.B. Bor-Nitrid Duroplastmaterial umspritzt werden. Verfahrenstechnisch ist dies weit weniger aufwändig als den kompletten Stator zu umspritzen, da die Spritzgussform deutlich einfacher gestaltet werden kann. Auch muss hier nicht auf festigkeitssteigernde Füllstoffe Wert gelegt werden, sondern es kann ausschließlich ein gut wärmeleitender und zugleich isolierender Werkstoff ausgewählt werden.Furthermore, the stator tooth, as in 5 represented, completely by thermoset injection molding with a thermally conductive material with high specific conductance, for example, boron nitride thermoset material to be encapsulated. In terms of process technology, this is far less complicated than overmolding the entire stator since the injection mold can be made significantly simpler. Also, it is not necessary to place emphasis on strength-enhancing fillers, but it is only a good heat-conducting and insulating material can be selected.

Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen ist es sinnvoll, nach dem Wickelprozess den Stator zu vergießen bzw. zu verträufeln, um Lufteinschlüsse zwischen den Kupferdrähten und an der spulennahen Statorisolation möglichst vollständig zu vermeiden und somit den thermischen Übergang zwischen Erregerspule und Stator weiter zu optimieren. Als Vergussmaterial kann sinnvollerweise ein Material mit akzeptablen Wärmeleiteigenschaften eingesetzt werden, mit einem spezifischen Leitwert von 0,25 - 1 W/mK. Ein Vergussmaterial auch mit moderaten Wärmeleiteigenschaften ist immer Faktor 10 besser als Luft, da Luft einen sehr niedrigen spezifischen Leitwert von lediglich 0,026 W/mK aufweist. Durch den Einsatz des Vergussmaterials kann der Übergang zwischen den Spulenlagen am Stator und der Isolationsfolie sowie zwischen den Spulenlagen, z.B. erste und zweite Spulenlage, somit deutlich verbessert werden.In all the embodiments described above, it makes sense to cast or steal the stator after the winding process in order to completely avoid air pockets between the copper wires and the coil-near stator insulation and thus to further optimize the thermal transition between the exciter coil and the stator. As potting material, a material with acceptable thermal conduction properties can usefully be used, with a specific conductance of 0.25-1 W / mK. A potting material with moderate thermal conductivity is always a factor 10 better than air, since air has a very low specific conductance of only 0.026 W / mK. By using the potting material, the transition between the coil layers on the stator and the insulating film and between the coil layers, for example, first and second coil layer, thus significantly improved.

Die 6 zeigt am Beispiel eines Außenläufers in ihren vier Quadranten A-D vier mögliche Ausführungsformen eines Innenstators 100. Allen Statoren in den Quadranten A-D ist gemeinsam, dass die Statorzähne über einen inneren Ring 1f miteinander einstückig verbunden sind. Der Innenstator kann geblecht ausgeführt sein. Die gezeigten Ausführungsformen können selbstverständlich ebenso bei einem Außenstator eines Innenläufers vorgesehen werden.The 6 shows the example of an external rotor in its four quadrants A - D four possible embodiments of an inner stator 100 , All stators in the quadrants A - D is common that the stator teeth have an inner ring 1f are integrally connected to each other. The inner stator can be made laminated. The embodiments shown may of course also be provided in an external stator of an internal rotor.

Im Quadranten A ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der der gesamte Stator 100 mit einem Duroplast umgossen ist, wie bei der Ausführungsform gemäß 5, wobei keine zusätzlichen Wärmeleitelemente mehr vorgesehen sind. Das Duroplast hat eine Wärmeleitfähigkeit von größer 1 W/mK. Optional kann die Wicklungsnut WN nach dem Wickelprozess mit einer zusätzlichen Vergußmasse F vergossen bzw. verträufelt werden, um Lufteinschlüsse zwischen den Kupferdrähten und an der spulennahen Statorisolation möglichst vollständig zu vermeiden und somit den thermischen Übergang zwischen Erregerspule und Stator weiter zu optimieren.In quadrant A is shown an embodiment in which the entire stator 100 is encapsulated with a thermoset, as in the embodiment according to 5 , wherein no additional heat conducting elements are provided more. The thermoset has a thermal conductivity of more than 1 W / mK. Optionally, the winding groove WN after the winding process with an additional potting compound F potted or sprinkled to avoid air inclusions between the copper wires and the coil near stator insulation as completely as possible and thus to further optimize the thermal transition between excitation coil and stator.

Im Quadranten B ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Statorzähne bzw. Polkerne 1b mit einem Thermoplast umspritzt sind, wobei in Aussparungen 200e im Thermoplast im Bereich der Längsseiten L der Polkerne 1b vorgesehen sind, in die nach dem Spritzvorgang Wärmeleitelemente 4, 4a eingelegt werden können. Die Statorzähne sind dabei analog den in 4 dargestellten ausgebildet.In the quadrant B an embodiment is shown in which the stator teeth or Polkerne 1b are encapsulated with a thermoplastic, wherein in recesses 200e in the thermoplastic in the area of the long sides L the pole cores 1b are provided in the after the injection process heat conducting elements 4 . 4a can be inserted. The stator teeth are analogous to those in 4 formed trained.

Die Wärmeleitelemente sind dicker als die Isolierung und vorzugsweise konvex ausgebildet.The heat-conducting elements are thicker than the insulation and preferably convex.

In den Quadranten C und D sind Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Stators 100 dargestellt, bei der eine Isolierung 7 mittels eines Spritzverfahrens analog zu den Varianten im Quadranten A oder B vorgesehen sind, wobei zusätzlich noch nicht dargestellte Wärmeleitelemente 4, 4a entlang der Polkernlängsseiten vorgesehen sein können. Am Nutgrund G der Wicklungsnuten WN sind noch zusätzliche Einlegteile 9, 10 angeordnet, welche am Nutgrund G vollflächig anliegen und ggfs. eine entsprechend des Nutgrundes G gekrümmte Wandung aufweisen. Diese Einlegeteile 9, 10 sind ebenfalls als Wärmeleitelemente ausgebildet und weisen bevorzugt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere größer 5 W/mK, auf. Sie können z.B. aus Bor-Nitrid hergestellt sein. In der Ausführungsform im Quadranten C sind die Einlegeteile 9 plattenförmig oder schalenförmig ausgebildet, wohingegen sie im Quadranten D einen sich in axialer Richtung erstreckenden stegförmigen Vorsprung aufweisen, der mit seinen beiden Seiten gegen die radiale Innenseite der Wicklungen 5 drückt. Zusätzlich können auch noch zwischen dem Polschuh 1a und dem radialen Wicklungsende 5a der Wicklungen noch Wärmeleitelemente 11 einliegen, welche aus dem gleichen Material wie die Teile 9, 10 hergestellt sind.In the quadrants C and D are embodiments of a stator according to the invention 100 shown, in which an insulation 7 by means of a spraying method analogous to the variants in the quadrant A or B are provided, in addition not yet shown heat-conducting 4 . 4a can be provided along the Polkernlängsseiten. At the bottom of the groove G the winding grooves WN are additional inserts 9 . 10 arranged, which at the bottom of the groove G abut the entire surface and, if necessary, one corresponding to the bottom of the groove G have curved wall. These inserts 9 . 10 are also designed as heat-conducting elements and preferably have a high thermal conductivity, in particular greater than 5 W / mK on. They can be made of boron nitride, for example. In the embodiment in the quadrant C are the inserts 9 plate-shaped or cup-shaped, whereas in the quadrant D have a web-shaped projection extending in the axial direction, with its two sides against the radial inner side of the windings 5 suppressed. In addition, even between the pole piece 1a and the radial coil end 5a the windings still heat conducting elements 11 einliegen, which are made of the same material as the parts 9 . 10 are made.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0815860 [0004]EP 0815860 [0004]
  • WO 2010/099974 [0007]WO 2010/099974 [0007]
  • WO 2010/099975 [0008, 0009]WO 2010/099975 [0008, 0009]

Claims (15)

Statorzahn (1) einer Drehfeldmaschine, einen Polschuh (1a) und einen Polkern (1b) aufweisend, wobei der Statorzahn (1) Längsseiten (L) und Stirnseiten (S) aufweist und von einer elektrischen Isolierung (2, 20, 200) ganz oder bereichsweise bedeckt oder ummantelt ist, die zur elektrischen Isolation der Wicklung (5) gegenüber dem Statorzahn (1) dient, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung ein- oder mehrteilig ausgebildet ist, und mindestens ein Teil oder Bereich der Isolierung (2, 20, 200) oder die gesamte Isolierung (2, 20, 200) aus einem Material mit einer Wärmeleiteigenschaft von größer 1 W/mK, bevorzugt größer 2,5 W/mK, gebildet ist.Statorzahn (1) an induction machine, a pole piece (1a) and a pole core (1b) comprising, wherein the stator tooth (1) has longitudinal sides (L) and end faces (S) and of an electrical insulation (2, 20, 200) or the whole partially covered or sheathed, which is used for electrical insulation of the winding (5) relative to the stator tooth (1), characterized in that the electrical insulation is formed in one or more parts, and at least a portion or region of the insulation (2, 20, 200) or the entire insulation (2, 20, 200) is formed from a material with a heat-conducting property of greater than 1 W / mK, preferably greater than 2.5 W / mK. Statorzahn (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung (2, 20) zwei jeweils eine Stirnseite (S) umgreifende Isolierkörper (2, 20) aufweist, die insbesondere an ihrer der Wicklung (5) zugewandten Seite Rillen (R) für die Spulendrähte der Wicklung (5) aufweisen.Stator tooth (1) to Claim 1 , characterized in that the electrical insulation (2, 20) has two respective end faces (S) embracing insulating body (2, 20), in particular on its the winding (5) side facing grooves (R) for the coil wires of the winding ( 5). Statorzahn (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Längsseite (L) des Polkerns (1b) mindestens ein, insbesondere festes und formstabiles, Wärmeleitelement (4), insbesondere in Form einer Platte anliegt, welches zwischen zwei jeweils eine Stirnseite (S) umgreifenden Isolierkörpern (2, 20), insbesondere in Ausnehmungen (20e) der Isolierkörper (20), angeordnet ist, wobei zumindest ein Wärmeleitelement (4) eine Wärmeleitfähigkeit von größer 5 W/mK, bevorzugt größer 10 W/mK, besonders bevorzugt größer 20 W/mK, aufweist, insbesondere auf Keramik- oder Siliziumcarbidbasis oder aus Bor-Nitrid-Verbundwerkstoffen gefertigt ist und/oder das Wärmeleitelement (4) eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die mindestens Faktor 2, vorzugsweise größer Faktor 5 als die der Isolierkörper (2, 20) ist.Stator tooth (1) to Claim 1 , characterized in that at least one longitudinal side (L) of the pole core (1b) at least one, in particular solid and dimensionally stable, heat-conducting element (4), in particular in the form of a plate rests, which between two in each case one end face (S) embracing insulating bodies (2 , 20), in particular in recesses (20e) of the insulating body (20), wherein at least one heat-conducting element (4) has a thermal conductivity of greater than 5 W / mK, preferably greater than 10 W / mK, particularly preferably greater than 20 W / mK, has, in particular on ceramic or Siliziumcarbidbasis or made of boron nitride composite materials is manufactured and / or the heat conducting element (4) has a thermal conductivity which is at least a factor of 2, preferably greater than 5 times that of the insulating body (2, 20). Statorzahn (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (4) unmittelbar an einem Teil oder der ganzen Seitenfläche des Polkerns (1b) anliegt und aus Keramik oder auf Keramikbasis gefertigt ist und sowohl elektrisch isolierende Eigenschaften sowie eine thermische Leitfähigkeit >10 W/mK hat, besonders bevorzugt Aluminiumoxid- oder -nitridkeramik oder aus Siliciumcarbid bzw. Bor-Nitrid ist.Stator tooth (1) to Claim 3 , characterized in that the heat-conducting element (4) directly on a part or the entire side surface of the pole core (1b) and is made of ceramic or ceramic-based and has both electrically insulating properties and a thermal conductivity> 10 W / mK, particularly preferred Alumina or nitride ceramic or silicon carbide or boron nitride. Statorzahn (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung (200) oder zumindest ein Isolierkörper (2, 20) mittels Umspritzen des Statorzahns (1), insbesondere durch Umspritzen mindestens des Polkerns (1b) gebildet ist, wobei das Vergussmaterial ein Thermoplast oder ein Duroplast ist, wobei das Duroplast insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von größer 1 W/mK, bevorzugt größer 5 W/mK, hat.Stator tooth (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical insulation (200) or at least one insulating body (2, 20) by means of encapsulation of the stator tooth (1), in particular by encapsulation of at least the pole core (1b) is formed, wherein the potting material is a thermoplastic or a thermosetting plastic, wherein the thermoset in particular has a thermal conductivity of greater than 1 W / mK, preferably greater than 5 W / mK. Statorzahn (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Umspritzen gebildete elektrische Isolierung (200) mindestens eine fensterartige Aussparung (200e) oder eine Ausnehmung mit dünnwandigem Bereich zur insbesondere formschlüssigen Aufnahme mindestens eines Wärmeleitelementes (4) aufweist, wobei das Wärmeleitelement (4) seitlich am Polkern (1b) angeordnet ist, insbesondere an diesem anliegt und eine Wärmeleitfähigkeit von größer 5 W/mK aufweist, insbesondere aus Bor-Nitrid gefertigt ist.Stator tooth (1) to Claim 5 , characterized in that the formed by encapsulation electrical insulation (200) at least one window-like recess (200e) or a recess with thin-walled area for particular positive reception of at least one heat conducting element (4), wherein the heat conducting element (4) laterally on the pole core (1b ) is arranged, in particular rests against this and has a thermal conductivity of greater than 5 W / mK, in particular made of boron nitride. Statorzahn (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (4) eine größere Dicke (D) aufweist als der angrenzende Wandbereich (2d, 20d, 200d) der elektrischen Isolierung (2, 20, 200).Stator tooth (1) after one of Claims 3 to 6 , characterized in that the heat-conducting element (4) has a greater thickness (D) than the adjacent wall region (2d, 20d, 200d) of the electrical insulation (2, 20, 200). Statorzahn (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die der Wicklung (5) zugewandte Seite (4w) des Wärmeleitelementes (4) der Außenkontur der Wicklung (5) angepasst ist, insbesondere im Querschnitt konvex ausgebildet ist.Stator tooth (1) after one of Claims 3 to 7 , characterized in that the winding (5) facing side (4w) of the heat-conducting element (4) of the outer contour of the winding (5) is adapted, in particular convex in cross-section. Stator (100) mit mehreren Statorzähnen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen Außen- oder Innenstator bildet.A stator (100) having a plurality of stator teeth (1) according to any one of the preceding claims forming an outer or inner stator. Stator (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (1) mit einem ringförmigen Bereich (1f) verbunden sind.Stator (100) after Claim 9 , characterized in that the stator teeth (1) are connected to an annular region (1f). Stator (100) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Isolierkörper (2, 20) mehrere oder alle Statorzähne (1) des Stators (100) umgreifen.Stator (100) after Claim 9 or 10 , characterized in that the end-side insulating body (2, 20) engage around a plurality or all of the stator teeth (1) of the stator (100). Stator (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung (2, 20, 200) mittels einer Spritzgussmasse gebildet ist, wobei die Spritzgussmasse ein Duroplast oder ein Thermoplast ist, und zumindest die Polkerne (1b) vollständig oder mit Ausnahme von Aussparungen (200e) zur Aufnahme von Wärmeleitelementen (4, 4a) umschließt.Stator (100) after Claim 11 , characterized in that the electrical insulation (2, 20, 200) is formed by means of an injection molding compound, wherein the injection molding compound is a thermoset or a thermoplastic, and at least the pole cores (1b) completely or with the exception of recesses (200e) for receiving Heat conducting elements (4, 4a) encloses. Stator (100) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Statorzähne (1) zwischen sich eine Wicklungsnut (WN) bilden, deren Nutgrund (G) durch den ringförmigen Bereich (1f) gebildet ist, wobei die elektrische Isolierung (2, 20, 200) auch den Nutgrund (G) der Wicklungsnuten (WN) bedeckt und durch die Spritzgussmasse oder durch gesonderte Einlegeteile (9, 10) gebildet ist, die sich axial entlang des Nutgrundes (G) erstrecken und am Nutgrund (G) anliegen.Stator (100) after Claim 11 or 12 , characterized in that two stator teeth (1) between them form a winding groove (WN) whose groove bottom (G) through the annular portion (1f) is formed, wherein the electrical insulation (2, 20, 200) and the groove bottom (G ) of the winding grooves (WN) and formed by the injection molding compound or by separate inserts (9, 10) which extend axially along the groove bottom (G) and abut the groove base (G). Stator (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Statorzähnen, davon mindestens einer bewickelt (5), nahe der Polschuhe (1a) ein Wärmeleitelement (11) in der Wicklungsnut (WN) eingefügt ist, welches eine Wärmeleitfähigkeit von größer 5 W/mK aufweist und sich in axialer Richtung des Stators (100) erstreckt.Stator (100) after one of Claims 11 to 13 , characterized in that between two stator teeth, of which at least one wound (5), near the pole pieces (1a), a heat conduction member (11) is inserted in the winding groove (WN) having a heat conductivity of greater than 5 W / mK and extending in the axial direction of the stator (100). Stator (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den Wicklungen (5) in den Wicklungsnuten (WN) mittels einer zusätzlichen Vergussmasse (F), insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,25 W/mK, vergossen ist, insbesondere derart, dass keine Lufteinschlüsse mehr zwischen den Spulendrähten der Wicklungen (5) mehr vorhanden sind.Stator (100) after one of Claims 1 to 15 , characterized in that the space between the windings (5) in the winding grooves (WN) by means of an additional potting compound (F), in particular with a thermal conductivity of at least 0.25 W / mK, is shed, in particular such that no more air pockets between the coil wires of the windings (5) are more present.
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