DE102017220735A1

DE102017220735A1 - Elektrische Maschine sowie Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102017220735A1
Application number: DE102017220735.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Herrmann; Aleksander Jerin; Katharina Grießl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-05-23

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (2), insbesondere Transversalflussmaschine, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer Transversalflussmaschine angegeben. Die elektrische Maschine weist einen ringförmigen um eine Rotationsachse (R) ausgebildeten Stator (6) mit einer Außenseite (10) und einer Innenseite (12) auf, der ein erstes Statorteil (14) und ein zweites Statorteil (16) aufweist, die an einer senkrecht zur Rotationsachse (R) orientierten Teilungsebene (T) aneinandergefügt sind, wobei ein jeweiliges Statorteil (14,16) einen Stapel (15) mit mehreren geschichteten und zueinander isolierten Blechlagen (24) aufweist und ein jeweiliges Statorteil (14,16) in einem Längsschnitt in Richtung der Rotationsachse (R) betrachtet ein U-artiges Profil aufweist mit einer Basis (18) und mit einem inneren U-Schenkel (20) sowie einem äußeren U-Schenkel (22), die sich über einen abgewinkelten Bereich (28) an die Basis (18) anschließen. Die einzelnen Blechlagen (24) sind durch ein 3-dimensionales generatives Fertigungsverfahren hergestellt, so dass die einzelnen Blechlagen (24) in dem abgewinkelten Bereich (28) frei von Druckspannungen und/oder Zugspannungen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere Transversalflussmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14
Elektrische Maschinen, insbesondere elektrische Motoren werden heutzutage in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. In diesem Zusammenhang existieren verschiedene Typen und Formen von elektrischen Maschinen.
Aus der DE 195 47 159 A1 ist eine Transversalflussmaschine bekannt. Die Transversalflussmaschine weist mehrere mehrteilige Statorsegmente auf, die jeweils um ein vorzugsweise quadratisch ausgebildetes Spulenelement angeordnet sind, derart, dass sie zur Erzeugung eines Drehmagnetfeldes die Spule von drei Seiten umgeben.
Zur Vermeidung von Verlusten, insbesondere von Wirbelstromverlusten, werden kompakte Bauteile von elektrischen Maschinen, wie beispielsweise der Stator, üblicherweise aus mehreren Blechlagen, sogenannten Elektroblechen gefertigt. Unter Elektroblechen wird vorliegend allgemein eine Anordnung, insbesondere Schichtung mehrere gegeneinander isolierter Bleche verstanden. Zur Isolierung weisen die Elektrobleche üblicherweise ein zwischen zwei Blechlagen angeordnetes Isolationsmaterial, beispielsweise eine Isolierfolie auf. Unter Wirbelstromverlusten werden allgemein unerwünschte Ströme verstanden, welche im Betrieb der Maschine aufgrund des auftretenden Magnetfeldes beispielsweise in den Stator induziert werden. Der Wert der Wirbelstromverluste ist mit der Größe einer elektrisch leitenden Fläche, die mit dem Magnetfeld durchsetzt ist korreliert. Durch die Ausgestaltung dieser Bauteile durch Blechlagen, die untereinander isoliert sind, reduziert sich - relativ betrachtet - die Größe der mit dem Magnetfeld durchsetzten Fläche und somit die Wirbelstromverluste.
Eine derartige aus Blechlagen gefertigte Transversalflussmaschine ist beispielsweise aus der DE 101 46 047 B4 bekannt.
Eine Fertigung von beispielsweise komplexen, anwendungsspezifischen Geometrien für einen Stator ist jedoch beispielsweise lediglich durch mechanisch verformende Verfahren, wie z.B. Biegen umsetzbar. Eine derartige Biegung führt jedoch oftmals zu unzureichenden magnetischen Eigenschaften des Stators im Bereich der Biegung, was unerwünschte Leistungseinbußen zur Folge hat.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, insbesondere Transversalflussmaschine anzugeben, die einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die im Hinblick auf die elektrische Maschine aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen und umgekehrt.
Die elektrische Maschine weist einen ringförmigen Stator auf. Der Stator ist um eine Rotationsachse ausgebildet, d.h. die Rotationsachse bildet einen Kreismittelpunkt aus, um den der Stator konzentrisch ausgebildet ist. Der Stator weist eine zu der -Rotationsachse orientierte Innenseite und eine der Innenseite gegenüberliegende Außenseite auf. Weiterhin weist der Stator ein erstes Statorteil und ein zweites Statorteil auf, die bezüglich einer senkrecht zur Rotationsachse orientierten Teilungsebene gegenüberliegend und vorzugsweise unmittelbar aneinanderliegend angeordnet sind. Die beiden Statorteile bilden ein gemeinsames Bauteil. Üblicherweise definiert die Teilungsebene eine Trennungsebene. Die beiden Statorteile sind in diesem Fall separate Bauteile, die zur Ausbildung des Stators aneinandergefügt, beispielsweise verspannt sind. Alternativ bilden die beiden Statorteile ein einstückiges Bauteil. Es können auch mehr als zwei Statorteile oder Statorteile mit Zwischenteilen entlang der Rotationsachse übereinander angeordnet sein.
Die jeweiligen Statorteile weisen einen Stapel mit mehreren geschichteten und zueinander isolierten Blechlagen auf. Weiterhin weist ein jeweiliges Statorteil in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse betrachtet ein U-artiges Profil mit einer Basis und U-Schenkeln auf. Unter Längsschnitt wird vorliegend speziell verstanden, dass das jeweilige Statorteil in einer radialen Richtung in Richtung zur Rotationsachse hin geschnitten wird und in Umfangsrichtung betrachtet wird. Die U-Schenkel schließen sich über einen abgewinkelten Bereich an die Basis an. Die jeweilige Basis ist dabei senkrecht zur Rotationsachse orientiert, die U-Schenkel sind zumindest annähernd parallel zu der Rotationsachse orientiert, einmal radial innen zur Rotationsachse und einmal radial außen von der Rotationsachse abgewandt. Die beiden Basen liegen einander gegenüber und definieren daher eine Oberseite und eine Unterseite des Stators.
Die einzelnen Blechlagen sind durch ein 3-dimensionales generatives Fertigungsverfahren hergestellt, sodass die einzelnen Blechlagen in dem abgewinkelten Bereich frei von Druckspannungen und/oder Zugspannungen sind.
Unter dem 3-dimensionalen generativen Fertigungsverfahren werden vorliegend allgemein Fertigungsverfahren verstanden, bei denen die Bauteile, vorliegend die einzelnen Blechlagen durch ein Auf- und/oder Aneinanderfügen von Materialpartikeln vorzugsweise schichtweise und/oder meist computerunterstützt gefertigt werden. Generative Fertigungsverfahren sind beispielsweise 3D-Druckverfahren oder Laser-Sinter-Verfahren. Ein derartiges Verfahren wird auch als additive Manufacturing bezeichnet. Insbesondere wird die 3-dimensionale Geometrie des Stator, d.h. das U-artige Profil der jeweiligen Statorteile durch die Auf- und/oder Aneinanderfügung der Materialpartikel erreicht. Somit werden vorliegend unter dem generativen Fertigungsverfahren insbesondere kein mechanisch verformendes Verfahren und/oder ein mechanisch verformender Verfahrensschritt wie beispielsweise Biegen, Umkanten und/oder Umkrempen zur Ausbildung der U-artigen Form verstanden. Mit anderen Worten: Die einzelnen Blechlagen werden urgeformt und insbesondere nicht umgeformt.
Der Vorteil dieses Verfahren ist, dass die Blechlagen frei von Druckspannungen und/oder Zugspannungen und generell frei von mechanischen Spannungen sind. Unter Druckspannungen und/oder Zugspannungen werden vorliegend allgemein Materialspannungen, speziell Druck- und/oder Zugkräfte, die in einem Biegebereich der Blechlagen auf das Material wirken verstanden. Derartige Druckspannungen und/oder Zugspannungen reduzieren magnetische Eigenschaften des Materials der Blechlagen, was zu unerwünschten Leistungseinbußen der elektrischen Maschine führt.
Weiterhin ist es ermöglicht, mit dem generativen Fertigungsverfahren anwendungsspezifische und/oder komplexe Statorgeometrien aus geschichteten Blechlagen zu fertigen und somit eine möglichst große Designfreiheit zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist ein jeweiliges Statorteil an der Außenseite des Stators in einer Umfangsrichtung betrachtet mehrere einzelne, voneinander beabstandete Statorzähne auf. Der außenliegende U-Schenkel eines jeweiligen Statorteils ist daher nicht durchgängig ausgebildet sondern nur im Bereich eines jeweiligen Statorzahns. Die Statorzähne dienen einer Oberflächenvergrößerung und einer Führung des magnetischen Flusses im Betrieb der Maschine. Diese beiden Eigenschaften führen zu einer Verbesserung der Leistung und des Wirkungsgrades der Maschine. D.h. aufgrund der Oberflächenvergrößerung erfolgt eine Erhöhung des magnetischen Flusses, der aufgrund der Statorzähne wirkungsgradoptimiert durch den Stator geführt wird.
Zweckdienlicherweise sind die Statorzähne der beiden Statorteile in Umfangsrichtung versetzt zueinander und insbesondere ineinander verzahnt angeordnet. D.h., dass umfangsseitig um den Stator abwechselnd ein Statorzahn des ersten Statorteils und ein Statorzahn des zweiten Statorteils angeordnet sind.
Hierdurch ist insbesondere eine weitere Vergrößerung der Oberfläche des Stators erreicht. Ein wesentlicher Aspekt ist vorliegend auch darin zu sehen, dass durch die verzahnte Anordnung der Statorzähne der beiden Statorteile eine dreidimensionale magnetische Flussführung erreicht ist. Eine derartige dreidimensionale Flussführung ist insbesondere für den Betrieb einer Transversalflussmaschine wichtig. Unter der dreidimensionalen Flussführung wird vorliegend verstanden, dass der magnetische Fluss im Betrieb der elektrischen Maschine einen Weg beschreibt, welcher von drei in unterschiedliche Richtungen orientierte Achsen/Dimensionen beschreibbar ist. Vorliegend fließt der magnetische Fluss im Betrieb der elektrischen Maschine in einer Radialrichtung senkrecht zur Rotationsachse (1. Dimension), in Umfangsrichtung (2. Dimension) sowie in Richtung der Rotationsachse (3. Dimension).
Alternativ sind die jeweiligen Statorzähne der Statorteile gegenüberliegend angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Statorzähne eine gekrümmte Zahnaußenseite auf. Unter Zahnaußenseite wird vorliegend eine Seite des Statorzahns verstanden, die radial betrachtet von der Rotationsachse einen weitesten Anstand zur Rotationsachse aufweist und nach „außen zeigt“. Vorliegend wird unter gekrümmt verstanden, dass die Statorzähne entlang einer Axialrichtung, die sich in Richtung der Rotationsachse erstreckt einen gekrümmten Verlauf aufweisen. Mit anderen Worten: Die Zahnaußenseiten der Statorzähne des ersten Statorteils und des zweiten Statorteils weisen im aneinandergefügten Zustand eine Form nach Art eines Kreisbogens auf.
Der Vorteil hierbei ist in einer Oberflächenvergrößerung zu sehen, die durch die gekrümmte Zahnaußenseite erreicht ist. Durch die Oberflächenvergrößerung der Statorzähne ist, wie bereits erwähnt eine Maximierung des magnetischen Flusses und somit des Wirkungsgrades und/oder der Leistung der elektrischen Maschine erreicht.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung sind die Statorzähne in Umfangsrichtung gekrümmt. Mit anderen Worten: In Umfangsrichtung betrachtet weist somit die Außenseite des Stators eine „kugelartige“ Form auf. Hierdurch ist eine weitere Oberflächenvergrößerung und somit eine weitere Maximierung des magnetischen Flusses im Betrieb der elektrischen Maschine erreicht.
Bevorzugt ist zwischen den Blechlagen zur Isolierung ein Isolationsmaterial, beispielsweise ein Isolierkunststoff beispielsweise in Form einer Isolationsfolie angeordnet. Alternativ ist zwischen den Blechlagen ein Isolierlack zur Isolation angeordnet. Die Isolierung dient einer „Aufteilung“ der Oberfläche der Blechlagen, die von dem magnetischen Fluss im Betrieb der elektrischen Maschine durchsetzt wird. Hierdurch ist eine Reduzierung von Wirbelströmen und den damit korrelierten Wirbelstromverlusten erreicht. Das Isolationsmaterial weist vorzugsweise eine Dicke mit einem Wert im Bereich von 10µm bis 20µm und speziell im Bereich zwischen 12µm und 15µm auf.
Zur Ausbildung des Stators weist der Stapel vorzugsweise eine Anzahl an geschichteten Blechlagen mit einem Wert im Bereich von 400 bis 600 auf. Hierdurch ist eine Ausgestaltung der elektrischen Maschine erreicht, die beispielsweise von der Automobiltechnik geforderte Mindestanforderungen hinsichtlich beispielsweise der elektrischen Leistung erfüllt. Analog hierzu weist der Stapel eine entsprechende Anzahl an Isolationsmaterial als Zwischenlage auf.
Zur weiteren Reduzierung von Wirbelströmen und den damit einhergehenden Wirbelstromverlusten sind gemäß einer zweckdienlichen Ausbildung die Statorzähne an der Zahnaußenseite angeschnitten. Unter angeschnitten wird vorliegend speziell verstanden, dass die Statorzähne beispielsweise mittels eines spanabhebenden Verfahrens, beispielsweise Schleifen, derart bearbeitet wurden, dass eine oberste Blechlage eines jeweiligen Statorteils reduziert und insbesondere in Gänze abgetragen wurde. Hierdurch wird die Zahnaußenseite abschnittsweise durch mehrere freigelegte Blechlagen ausgebildet. Mit anderen Worten: Auf der Zahnaußenseite wird dadurch die Schichtstruktur der einzelnen Blechlagen des Stapels sichtbar.
Der Vorteil dieser Ausbildung ist in der Aufteilung der Zahnaußenseite in Abschnitte aus einer Blechlage und Abschnitte aus Isolationsmaterial zu sehen, da hierdurch innerhalb der Zahnaußenseite Wirbelströme reduziert werden.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist zumindest ein Teilbereich der Statorzähne in Axialrichtung geschlitzt. Bevorzugt weisen die Statorzähne hierzu zumindest einen, vorzugsweise mehrere insbesondere parallel zueinander in Axialrichtung verlaufenden Schlitze auf. Hierdurch werden Wirbelströme vorteilhaft reduziert, da die effektive Fläche an Blechlagen in dem Teilbereich aufgeteilt und somit unterbrochen wird. In einer geeigneten Ausgestaltung sind die Statorzähne vollständig geschlitzt.
Bevorzugt weisen die einzelnen Blechlagen eine Dicke mit einem Wert im Bereich von 0,1mm und 0,3mm und speziell eine Dicke mit einem Wert von 0,2mm auf.
Üblicherweise weist beispielsweise der Stator einen weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff, auch als Soft Magnetic Composites (SMC) bezeichnet auf. SMCs weisen untereinander elektrisch isolierte Körner auf, welche unter Einfluss von Hitze und Druck in eine gewünschte Statorgeometrie gepresst und anschließend zur Aushärtung geglüht werden.
Die elektromagnetischen Eigenschaften, wie beispielsweise Permeabilität und/oder Sättigungspolarisation der SMCs weisen jedoch oftmals für Anwendungen wie z.B. in der Automobilindustrie unzureichende Werte auf, was zu einem unzureichenden Wirkungsgrad der Maschine führt.
Zweckdienlicherweise weisen somit die Blechlagen ein Material auf, das eine Sättigungspolarisation mit einem Wert von mindestens 2T aufweist. Alternativ oder zusätzlich weist das Material eine Permeabilitätszahl mit einem Wert von mindestens 8500 auf. Alternativ oder ergänzend weist das Material Ummagnetisierungsverluste mit einem Maximalwert von 50W/kg auf. Derartige Werte der magnetischen Eigenschaften haben sich als geeignet erwiesen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die jeweiligen U-Schenkel und die Statorzähne derart angeordnet, dass sie einen Innenraum an der Außenseite des Stators ausbilden. D.h. unter dem Innenraum wird vorliegend speziell ein Raum verstanden, der von den U-Schenkeln und den Statorzähnen umgeben ist. Mit anderen Worten: Die jeweiligen U-Schenkel sind mit ihren „U-Öffnungen“ zueinander orientiert, sodass die jeweiligen inneren U-Schenkel nach innen (zur Rotationsachse hin) orientiert sind und die jeweiligen äußeren U-Schenkel nach außen (in radialer Richtung von der Rotationsachse weg) orientiert sind.
In dem Innenraum ist bevorzugt ein umfangsseitig um die Außenseite des Stators gewickeltes Spulenelement angeordnet. Das Spulenelement ist beispielsweise eine einzelne, mehrere Wicklungen aufweisende Spule oder alternativ eine Anzahl an mehrere Wicklungen aufweisenden Spulen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache und kompakte Bauweise, insbesondere für eine Anwendung der elektrischen Maschine in der Automobil-Technologie, beispielsweise als elektrischer Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges.
Bevorzugt ist die elektrische Maschine als eine Transversalflussmaschine ausgebildet, bei der das Spulenelement umfangsseitig in dem Innenraum um den Stator angeordnet, insbesondere gewickelt ist und der Stator sowie das Spulenelement zusammen von einem Rotor, welcher bevorzugt als ein Außenläuferrotor ausgebildet ist, umgeben sind. Der Rotor ist um die Rotationsachse drehbar ausgebildet. In einer geeigneten Ausgestaltung weist die Transversalflussmaschine mehrere Statoren, beispielsweise 5 Statoren auf, die unmittelbar aneinander zu einem Statorverbund angeordnet sind, der umfangsseitig von einem Rotor umgeben ist. Der magnetische Fluss verläuft bei einer Transversalflussmaschine transversal zur Drehebene.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen teilweise in stark vereinfachten Darstellungen:

1 eine Aufsicht auf eine Transversalflussmaschine,
2 eine perspektivische Darstellung eines Stators einer elektrischen Maschine,
3 eine skizzierte Längsschnittdarstellung eines Statorteils des Stators durch die Ebene A-A,
4 eine vergrößerte Ansicht einer Zahnaußenseite eines Statorzahns gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante,
5 eine perspektivische Darstellung des Stators gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante der Statorzähne sowie
6 eine skizzierte Schnittdarstellung durch eine Schnittebene E gemäß 5.

In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt.
1 zeigt eine vereinfachte Aufsicht-Darstellung einer elektrischen Maschine 2, im Ausführungsbeispiel eine Transversalflussmaschine. Die elektrische Maschine 2 weist einen Rotor 4 und einen Stator 6 auf, die beide um eine Rotationsachse R, im Ausführungsbeispiel um eine Welle 8 ausgebildet sind. Der Rotor 4 ist im Ausführungsbeispiel als ein Außenläuferrotor ausgebildet, d.h. der Rotor 4 ist im montierten Zustand der elektrischen Maschine 2 umfangsseitig um den Stator 6 angeordnet und zweckdienlicherweise mit der Welle 8 derart mechanisch verbunden, dass der Rotor 4 im Betrieb der elektrischen Maschine 2 eine Rotationsbewegung auf die Welle 8 überträgt, um beispielsweise eine Antriebswelle eines Kraftfahrzeuges anzutreiben. Am Rotor 4 sind typischerweise um den Umfang verteilt Permanentmagnete 9 mit abwechselnden Polen angeordnet.
In 2 ist eine perspektivische Darstellung des Stators 6 der elektrischen Maschine 2 gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante gezeigt. Der Stator 6 ist analog zu dem Stator 6 aus 1 ringförmig um die Rotationsachse R ausgebildet und weist eine Außenseite 10 sowie eine Innenseite 12 auf. Zudem weist der Stator 6 im Ausführungsbeispiel ein erstes Statorteil 14 sowie ein zweites Statorteil 16 auf. Die beiden Statorteile 14,16 sind an einer senkrecht zur Rotationsachse R orientierten Teilungsebene T zur Ausbildung des Stators 6 aneinandergefügt, beispielsweise verspannt. Im Ausführungsbeispiel sind die beiden Statorteile 14,16 an der Innenseite 12 des Stators 6 entlang einer Umfangsrichtung U aneinandergefügt.
In 3 ist ein in einem Längsschnitt in Richtung der Rotationsachse R betrachtete Schnittdarstellung des zweiten Statorteils 16 entlang der Schnittebene A-A (vgl. 1) gezeigt. Das zweite Statorteil 16 weist im dargestellten Längsschnitt betrachtet ein U-artiges Profil auf mit einer Basis 18 und mit einem inneren U-Schenkel 20 sowie einem äußeren U-Schenkel 22 auf. Der innere U-Schenkel 20 ist in Richtung der Innenseite 12 des Stators 6 orientiert und bildet diese im Ausführungsbeispiel aus. Analog hierzu ist der äußere U-Schenkel 22 in Richtung der Außenseite 10 des Stators 6 orientiert und bildet diese im Ausführungsbeispiel aus. Durch das U-artige Profil bilden die Statorteile 14,16 einen Innenraum 23 aus, in dem im montierten Zustand der elektrischen Maschine 2 ein sich in Umfangsrichtung U erstreckendes Spulenelement 25 angeordnet ist.
Das zweite Statorteil 16 weist eine Vielzahl an, im Ausführungsbeispiel zu einer einfacheren Veranschaulichung lediglich vier geschichteten und zueinander isolierten Blechlagen 24 auf. Zur Isolierung ist im Ausführungsbeispiel ein Isolationsmaterial 26 zwischen den einzelnen Blechlagen 24 angeordnet. Als Isolationsmaterial 26 dient beispielsweise ein Isolierlack oder eine Isolierfolie. Die Isolierung dient im Betrieb der elektrischen Maschine 2 der elektrischen Isolierung der einzelnen Blechlagen 24 untereinander zur Reduzierung von Wirbelströmen.
Im Ausführungsbeispiel schließen sich die beiden U-Schenkel 20,22 jeweils über einen abgewinkelten Bereich 28 an die Basis 18 an.
Die zuvor genannte Ausgestaltung, des zweiten Statorteils 16 insbesondere im Hinblick auf die U-artige Form, die Ausgestaltung durch eine Vielzahl an geschichteten und zueinander isolierten Blechlagen 24 gilt für das erste Statorteil 14 analog, jedoch ist das erste Statorteil 14 an der Teilungsebene T gespiegelt.
Die beiden Statorteile 14,16 sind im Ausführungsbeispiel mittels eines 3-dimensionalen generativen Fertigungsverfahrens, beispielswiese eines 3D-Druckverfahren hergestellt. Die Statorteile 14,16 sind hierdurch insbesondere in dem abgewinkelten Bereich 28 frei von Zugspannungen und/oder Druckspannungen, wie sie beispielsweise bei einem mechanischen Umformen, beispielsweise Biegen auftreten. Derartige Zugspannungen und/oder Druckspannungen sind beispielsweise im Rahmen einer mikroskopischen Betrachtung eines Materials erkennbar. Der aufgrund der durch die Zugspannungen und/oder Druckspannungen resultierende Reduzierung der magnetischen Eigenschaft der Blechlagen 24 ist somit vorgebeugt und der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 2 vorteilhaft optimiert.
Der Stator 6 weist an der Außenseite 10 in Umfangrichtung U betrachtet mehrere voneinander beabstandete Statorzähne 30 (vgl. auch 1) mit einer Zahnaußenseite 32 sowie einer Zahninnenseite 34 auf. Die Statorzähne 30 weisen im Ausführungsbeispiel eine Trapezform auf. Alternativ sind die Statorzähne 30 nach Art eines Rechtecks ausgebildet.
Die Statorzähne 30 sind im Ausführungsbeispiel jeweils durch den äußeren U-Schenkel 22 eines jeweiligen Statorteils 14,16 ausgebildet. Die Statorzähne 30 der beiden Statorteile 14,16 sind im Ausführungsbeispiel zueinander versetzt und insbesondere ineinander verzahnt angeordnet (vgl. auch 1). Hierzu sind die beiden Statorteile 14,16 derart aneinandergefügt, dass beispielsweise der erste Statorteil 14 in Umfangsrichtung U um beispielsweise eine Breite B eines Statorzahns 30 versetzt auf dem zweiten Statorteil 16 angeordnet ist.
Die elektrische Maschine 2, insbesondere ein jeweiliges Statorteil 14,16 weist vorzugsweise 10 bis 100 Zähne, im Ausführungsbeispiel 25 Statorzähne 30 auf. Ein Verhältnis zwischen einem Abstand zweier benachbarter Statorzähne 30 und einer Breite B eines Statorzahns 30 weist üblicherweise einen Wert von 1:2, 2:1 oder idealerweise 1:1 auf.
4 zeigt eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer Zahnaußenseite 32 eines Statorzahns 30 des zweiten Statorteils 16 gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante. In dieser Ausgestaltungsvariante weist der Statorzahn 30, insbesondere die Zahnaußenseite 32 einen geraden Verlauf auf, verläuft also parallel zur Rotationsachse R.
Zudem ist die Zahnaußenseite 32 im Ausführungsbeispiel zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten angeschnitten und zumindest in einem Teilbereich 36 geschlitzt. Unter angeschnitten wird vorliegend speziell verstanden, dass eine oberste Blechlage 38 des jeweiligen Statorteils 14,16 im Bereich des Statorzahns 30 mittels eines spanabhebenden Verfahrens, beispielsweise durch Abschleifen zumindest reduziert, speziell in Gänze abgetragen wurde. Unter geschlitzt wird vorliegend verstanden, dass ein jeweiliger Statorzahn 30 zumindest einen, im Ausführungsbeispiel zwei sich in eine Axialrichtung A erstreckende Schlitze 40 aufweist. Die Axialrichtung A erstreckt sich im Ausführungsbeispiel parallel zur Rotationsachse R.
Hierdurch ist eine weitere Reduzierung von Wirbelströmen durch eine Aufteilung einer Oberfläche der jeweils obersten Blechlage 38 erreicht.
In 5 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des Stators 6 gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante der Statorzähne 30 gezeigt.
Gemäß der zweiten Ausgestaltung weisen die jeweiligen Statorzähne 30 eine in Axialrichtung A gekrümmte Zahnaußenseite 32 auf. Mit anderen Worten: Die jeweiligen Statorzähne 30 weisen entlang ihrer Länge L einen Verlauf nach Art eines Kreisbogens auf.
Hierdurch ist im Vergleich zu der ersten Ausgestaltungsvariante eine größere effektive Oberfläche der Statorzähne 30, insbesondere der Zahnaußenseite 32 und somit auch des Stators 6 erreicht, was zu einer Erhöhung des magnetischen Flusses im Betrieb der Maschine führt. Der erhöhte magnetische Fluss im Betrieb führt zu einer Erhöhung der Leistung der elektrischen Maschine 2.
In 6 ist eine skizzierte Schnittdarstellung durch eine Schnittebene E (vgl. 5) dargestellt. Bei der in 6 dargestellten Ausgestaltungsvariante der Statorzähne 30 handelt es sich um die zweite Ausgestaltungsvariante gemäß 5.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 wurde der Einfachheit halber auf eine Darstellung des Spulenelements 25, welches im Innenraum 23 des Stators 6 angeordnet ist verzichtet. Es ist somit lediglich die geometrische Anordnung und insbesondere der gekrümmte Verlauf der Statorzähne 30 entlang der Länge L und in Axialrichtung A gezeigt.
Weiterhin ist eine alternative, hier nicht dargestellte Ausgestaltungsvariante denkbar, bei der die Statorzähne 30 und insbesondere die Zahnaußenseite 32 einen sowohl in Axialrichtung A als auch in Umfangsrichtung U gekrümmten Verlauf aufweisen. Mit anderen Worten: Zum Einen wiesen die Statorzähne 30 einen entlang der Länge L der Statorzähne 30 gekrümmten Verlauf gemäß der zweiten Ausgestaltungsvariante auf. Zum Anderen weist die Zahnaußenseite 32 der Statorzähne sowie alternativ auch die Zahninnenseite 34 (hier nicht dargestellt, vgl. 3) einen gekrümmten Verlauf in Umfangsrichtung U auf. D.h., dass die Statorzähne 30 entlang ihrer Breite B einen Verlauf nach Art eines Kreisbogens aufweisen.
Durch die insbesondere gekrümmten Ausgestaltungsvarianten der Statorzähne 30 ist eine Oberflächenvergrößerung der Zahnaußenseite 32 erreicht. Der magnetische Fluss sowie die damit korrelierte elektrische Leistung wird aufgrund der Oberflächenvergrößerung erhöht.
Alternativ weisen die Statorzähne 30 und insbesondere die Zahnaußenseiten 32 der Statorzähne 30 einen Verlauf auf, der einer einzelnen oder einer Kombination der genannten Ausgestaltungsvarianten entspricht. So weist beispielsweise in einer alternativen Ausgestaltungsvariante die Zahnaußenseite 32 der Statorzähne 30 beispielsweise einen in Axialrichtung A betrachtet ungekrümmten, d.h. einen sich parallel zur Axialrichtung A erstreckenden Verlauf aus und in Umfangsrichtung betrachtet einen in diese gekrümmten Verlauf auf.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: elektrische Maschine
4: Rotor
6: Stator
8: Welle
9: Permanentmagnet
10: Außenseite des Stators
12: Innenseite des Stators
14: erstes Statorteil
15: Stapel
16: zweites Statorteil
18: Basis
20: innerer U-Schenkel
22: äußerer U-Schenkel
23: Innenraum
24: Blechlage
25: Spulenelement
26: Isolationsmaterial
28: abgewinkelter Bereich
30: Statorzähne
32: Zahnaußenseite
34: Zahninnenseite
36: Teilbereich
38: oberste Blechlage
40: Schlitze
A: Axialrichtung
B: Breite des Statorzahns
D: Dicke einer einzelnen Blechlage
L: Länge des Statorzahns
R: Rotationsachse
T: Teilungsebene
U: Umfangsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19547159 A1 [0003]
DE 10146047 B4 [0005]

Claims

Elektrische Maschine (2), insbesondere Transversalflussmaschine, welche aufweist: - einen ringförmigen um eine Rotationsachse (R) ausgebildeten Stator (6) mit einer Außenseite (10) und einer Innenseite (12), der ein erstes Statorteil (14) und ein zweites Statorteil (16) aufweist, die bezüglich einer senkrecht zur Rotationsachse (R) orientierten Teilungsebene (T) gegenüberliegend angeordnet sind, wobei ein jeweiliges Statorteil (14,16) einen Stapel (15) mit mehreren geschichteten und zueinander isolierten Blechlagen (24) aufweist und ein jeweiliges Statorteil (14,16) in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse (R) betrachtet ein U-artiges Profil aufweist mit einer Basis (18) und mit einem inneren U-Schenkel (20) sowie einem äußeren U-Schenkel (22), die sich über einen abgewinkelten Bereich (28) an die Basis (18) anschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Blechlagen (24) durch ein 3-dimensionales generatives Fertigungsverfahren hergestellt sind, so dass die einzelnen Blechlagen (24) in dem abgewinkelten Bereich (28) frei von mechanischen Spannungen sind.
Elektrische Maschine (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Statorteil (14,16) an der Außenseite (10) des Stators (6) in einer Umfangsrichtung (U) betrachtet mehrere einzelne, voneinander beabstandete Statorzähne (30) aufweist.
Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (30) der beiden Statorteile (14,16) in Umfangsrichtung (U) versetzt zueinander und insbesondere ineinander verzahnt angeordnet sind, sodass umfangsseitig um den Stator (6) abwechselnd ein Statorzahn (30) des ersten Statorteils (14) und ein Statorzahn (30) des zweiten Statorteils (16) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (30) jeweils eine gekrümmte Zahnaußenseite (32) aufweisen.
Elektrische Maschine (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (30) in Umfangsrichtung (U) gekrümmt sind.
Elektrische Maschine (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen den Blechlagen (24) zur Isolierung ein Isolationsmaterial (26) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (15) eine Anzahl an Blechlagen (24) mit einem Wert im Bereich von 400 bis 600 aufweist.
Elektrische Maschine (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (30) an der Zahnaußenseite (32) angeschnitten sind, sodass die Zahnaußenseite (32) abschnittsweise durch mehrere freigelegte Blechlagen (24) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich (36) der Statorzähne (30) in einer Axialrichtung (A) geschlitzt ist.
Elektrische Maschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Blechlagen (24) eine Dicke (D) mit einem Wert im Bereich von 0,1mm bis 0,3mm aufweisen.
Elektrische Maschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechlagen (24) ein Material aufweisen, das - eine Sättigungspolarisation mit einem Wert von zumindest 2T und/oder - eine Permeabilitätszahl mit einem Wert von mindestens 8500 und/oder - Ummagnetisierungsverluste mit einem Maximalwert 50W/kg aufweist.
Elektrische Maschine (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen U-Schenkel (22,22) und die Statorzähne (30) derart angeordnet sind, dass sie einen Innenraum (23) ausbilden, wobei in dem Innenraum (23) ein Spulenelement (25) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Transversalflussmaschine ausgebildet ist, bei der das Spulenelement (25) umfangsseitig in dem Innenraum (23) um den Stator (6) gewickelt ist und der Stator (6) sowie das Spulenelement (25) zusammen von einem Rotor (4) umgeben sind, der um die Rotationsachse (R) in und entgegen der Umfangsrichtung (U) drehbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine (2), insbesondere Transversalflussmaschine, bei dem zur Ausbildung eines ringförmigen, um eine Rotationsachse (R) ausgebildeten, Stators (6) mit einer Außenseite (10) und einer Innenseite (12) ein erstes Statorteil (14) und ein zweites Statorteil (16) bezüglich einer senkrecht zur Rotationachse (R) orientierten Teilungsebene (T) gegenüberliegend angeordnet sind, wobei ein jeweiliges Statorteil (14,16) einen Stapel (15) mit mehreren geschichteten und zueinander isolierten Blechlagen (24) aufweist und ein jeweiliges Statorteil (14,16) in einem Längsschnitt in Richtung der Rotationsachse (R) betrachtet ein U-artiges Profil aufweist mit einer Basis (18) und mit einem inneren U-Schenkel (20) sowie einem äußeren U-Schenkel (22), die sich über einen abgewinkelten Bereich (28) an die Basis (18) anschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Blechlagen (24) durch ein 3-dimensionales generatives Fertigungsverfahren gefertigt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechlagen (24) einzelweise mittels des 3-dimensionalen generativen Fertigungsverfahrens hergestellt werden und anschließend ineinander unter Zwischenlage eines Isolationsmaterials (26) gestapelt werden.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3-dimensionale generative Fertigungsverfahren ein Druckverfahren, insbesondere ein 3D-Druckverfahren ist.