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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, wobei
- - in einem ersten Schritt ein Statorkern mit Statornuten bereitgestellt wird,
- - in einem zweiten Schritt Hair-Pin-Elemente bereitgestellt werden,
- - in einem dritten Schritt Hair-Pin-Elemente in jeweils zwei der Statornuten angeordnet werden.
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Zu Wicklungen angeordnete und verschweißte Hair-Pin-Elemente sind zur Herstellung von elektrischen Maschinen, insbesondere von auf hohe Leistungen ausgelegten elektrischen Maschinen, bekannt. Die Hair-Pin-Elemente werden dabei nicht nur an in Umfangsrichtung des Statorkerns verschiedenen Wicklungspositionen, sondern auch in den jeweiligen Statornuten in radialer Richtung verschiedenen Positionen eingeschoben. Mit anderen Worten werden in jeder Statornut mehrere Hair-Pin-Elemente in radialer Richtung hintereinander angeordnet. Je nach Art der Wicklung tritt zwischen zwei in einer Statornut in radialer Richtung benachbarten Hair-Pin-Elementen eine Potentialdifferenz auf. Üblicherweise werden daher die Hair-Pin-Elemente mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht versehen, so dass auch bei Auftreten der maximal möglichen Potentialdifferenz eine sichere elektrische Isolierung gewährleistet ist.
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Gerade beim schnellen Schalten mit großen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten kommt es zu nichtlinearen Spannungsverläufen innerhalb der Wicklung. Die Motorwicklung zeigt nur dann induktives Verhalten, sofern die Anstiegszeit der Spannungsflanke deutlich größer als die Gruppenlaufzeit der Motorwicklung ist. Wenn die Anstiegszeit der Spannungsflanke kleiner als die Gruppenlaufzeit jener Motorwicklung ist, ist das elektrische Potential entlang der Wicklung nicht gleichmäßig verteilt, sondern folgt entsprechend den parasitären Kapazitäten der Wicklung. Spannungen mit hohen Frequenzanteilen fallen in den ersten Windungen der Wicklung, also an den Hair-Pin-Elementen direkt an den Anschlussklemmen ab, sodass insbesondere hier die Gefahr einer Teilentladung oder eines Spannungsdurchschlages besteht. Problematisch ist weiterhin das Auftreten von Reflexionen von elektromagnetischen Wellen am Übergang von der Leitung vom Umrichter einer elektrischen Maschine zu deren Statorwicklung. Durch diese Wanderwellenvorgänge entstehen beim Betrieb mit Umrichter deutlich größere Spannungsamplituden an den Anschlussklemmen und an den Hair-Pin-Elementen, an denen die Anschlussklemmen angeschweißt sind, als beim Betrieb am Netz.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Stators bereitzustellen, welches es ermöglicht, einen Stator herzustellen, der die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, wobei
- - in einem ersten Schritt ein Statorkern mit Statornuten bereitgestellt wird,
- - in einem zweiten Schritt erste Hair-Pin-Elemente mit einer ersten elektrisch isolierenden Isolationsschicht und zweite Hair-Pin-Elemente mit einer zweiten, sich von der ersten Isolationsschicht unterscheidenden, elektrisch isolierenden Isolationsschicht bereitgestellt werden,
- - in einem dritten Schritt ein Hair-Pin-Element ausgewählt und an einer vorbestimmten Wicklungsposition in zwei der Statornuten angeordnet wird, wobei das Hair-Pin-Element in Abhängigkeit von der vorbestimmten Wicklungsposition aus den ersten und zweiten Hair-Pin-Elementen ausgewählt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Isolation der Wicklung ortsgenau bedarfsgerecht auszuführen und Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften der Hair-Pin-Elemente zu nehmen. Durch ein bedarfsgerechtes Anpassen der Isolation, also der Auswahl des passend zur Wicklungsposition isolierten Hair-Pin-Elementes ist es möglich, eine sichere Isolation zu erreichen, die dielektrischen Eigenschaften anzupassen und gleichzeitig die Menge von benötigtem Isolationsmaterial auf ein Mindestmaß zu reduzieren, so dass Gewicht und Kosten gespart werden können.
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Eine Wicklungsposition im Sinne der vorliegenden Erfindung beschreibt die örtliche Anordnung eines Hair-Pin-Elementes in azimutaler Richtung, d. h. in Umfangsrichtung des Stators, und in radialer Richtung. In anderen Worten gibt die Wicklungsposition im Sinne der vorliegenden Erfindung die Statornuten und die Position in radialer Richtung in den Statornuten an, in welchen das Hair-Pin-Element angeordnet wird. Ein Hair-Pin-Element kann zwei Schenkel aufweisen, mit welchen das Hair-Pin-Element in jeweils einer Statornut angeordnet, vorzugsweise eingeschoben, wird. Ferner kann das Hair-Pin-Element eine Spange aufweisen, welche die parallel zueinander angeordneten Schenkel miteinander verbindet. Denkbar ist, dass nach dem Anordnen der Hair-Pin-Elemente an einer den Spangen gegenüberliegenden Seite weitere Spangen so angeschweißt werden, dass die Hair-Pin-Elemente eine Wicklung bilden. Denkbar ist aber auch, dass die Schenkel der Hair-Pin-Elemente nach dem Anordnen an der den Spangen gegenüberliegenden Seite so gebogen und miteinander verschweißt werden, dass eine Wicklung entsteht. Die Isolationsschicht ist auf der Oberfläche zumindest der Schenkel vorzugsweise gleichmäßig aufgebracht. Denkbar ist, dass die Spangen ebenfalls elektrisch isoliert sind. Denkbar dazu ist, dass die Spangen die erste Isolationsschicht und/oder die zweite Isolationsschicht aufweisen. Denkbar ist aber auch, dass die Spangen dicker oder dünner isoliert sind als die Schenkel und/oder dass die Spangen mit dem gleichen oder einem anderen Isolationsmaterial isoliert sind wie/als die Schenkel. Denkbar ist zudem, dass die erste Isolationsschicht und/oder die zweite Isolationsschicht an Kanten der Hair-Pin-Elemente dicker ausgeführt sind.
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Denkbar ist zudem, dass dritte und/oder eine Vielzahl weiterer Hair-Pin-Elemente mit einer dritten bzw. einer Vielzahl weiterer Isolationsschichten, welche sich von der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht unterscheiden, bereitgestellt werden und dass im dritten Schritt ein Hair-Pin-Element ausgewählt und an einer vorbestimmten Wicklungsposition in zwei der Statornuten angeordnet wird, wobei das Hair-Pin-Element in Abhängigkeit von der vorbestimmten Wicklungsposition aus den ersten oder den zweiten Hair-Pin-Elementen oder den dritten Hair-Pin-Elementen bzw. der Vielzahl weiterer Hair-Pin-Elemente ausgewählt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswahl des Hair-Pin-Elements auf Basis von Differenzen von elektrischen Potentialen der Hair-Pin-Elemente beim Anlegen einer statischen elektrischen Spannung an die Anschlussklemmen bestimmt wird. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, die Auswahl der Hair-Pin-Elemente und damit die ortsaufgelöste Auslegung der Isolation der Wicklung realitätsnah und somit sehr effektiv zu gestalten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass bei der Auswahl der Hair-Pin-Elemente (2) Überspannungen berücksichtigt werden. Vorzugsweise ist dazu vorgesehen, dass bei der Auswahl der Hair-Pin-Elemente Überspannungen durch Leitungsreflexionen eingerechnet werden. Das Berücksichtigen von Leitungsreflexionen stellt sicher, dass die Isolation auch an lokale Spannungsüberhöhungen in der Statorwicklung angepasst ist. Dies verringert weiterhin die Wahrscheinlichkeit von Überschlägen. Leitungsreflexionen treten auf, wenn die Spannungsanstiegszeit kürzer ist als die Ausbreitungszeit der elektromagnetischen Welle im Leiter. Denkbar ist, dass an den Wicklungspositionen, an denen mit Spannungsüberhöhungen durch Leitungsreflexionen gerechnet werden kann, aus den ersten Hair-Pin-Elementen und den zweiten Hair-Pin-Elementen die Hair-Pin-Elemente ausgewählt werden, welche wirkungsvoller isoliert sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass für Hair-Pin-Elemente bei denen vorgesehen ist, Anschlussklemmen anzuschweißen aus den ersten Hair-Pin-Elementen und den zweiten Hair-Pin-Elementen jenes ausgewählt wird, welches die wirkungsvollere, also besser isolierende, Isolationsschicht aufweist. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, Spannungsüberhöhungen an den Hair-Pin-Elementen an denen Anschlussklemmen angeschweißt sind durch wirkungsvollere Isolationen zu berücksichtigen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als erste Isolationsschicht und zweite Isolationsschicht Isolationsschichten mit unterschiedlichen Dicken verwendet werden. Denkbar ist, dass die Isolationsschichtdicke dabei in erster Näherung linear mit einer angenommenen homogenen elektrischen Feldstärke gewählt wird:
ΔU steht dabei für die Potentialdifferenz, U
DC für die Zwischenkreisspannung am Umrichter, s für einen Schichtdickenfaktor und s
0 für eine Mindestdicke. Denkbar ist, dass die einseitige Isolationsschichtdicke d in einem Bereich zwischen 80 µm und 200 µm, bevorzugt im Bereich zwischen 80 µm und 160 µm, liegt. Es ist denkbar, dass weitere Isolationsschichten mit weiteren unterschiedlichen Dicken als Isolationsschicht verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als erste Isolationsschicht und zweite Isolationsschicht unterschiedliche Isolationsmaterialien aufweisende Isolationsschichten verwendet werden. Denkbar ist, dass Polyamidimid und/oder Polyimid und/oder Polyetheretherketon als Isolationsmaterialien verwendet werden. Es ist denkbar, dass weitere Isolationsschichten, welche weitere Isolationsmaterialien aufweisen, als Isolationsschicht werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator an Wicklungspositionen in Statornuten eines Statorkerns des Stators eingeschobene erste Hair-Pin-Elemente und zweite Hair-Pin-Elemente aufweist, wobei die Hair-Pin-Elemente zu einer Wicklung verschweißt sind, wobei an der Wicklung Anschlussklemmen angeschweißt sind, wobei die ersten Hair-Pin-Elemente jeweils eine erste elektrisch isolierende Isolationsschicht aufweisen und die zweiten Hair-Pin-Elemente jeweils eine zweite, sich von der ersten Isolationsschicht unterscheidende, elektrisch isolierende Isolationsschicht aufweisen.
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Durch anforderungsgerechte Isolation der Wicklung können Kosten gespart, die Leistungsdichte bzw. die Effizienz des Antriebs durch eine Verringerung der magnetischen Flussdichte im Blechpaket oder durch eine Reduktion der Stromdichte in den Leitern gesteigert werden und dabei gleichzeitig ein sicherer Schutz vor Überschlägen erreicht und so eine negative Beeinträchtigung der Lebensdauer des Stators vermieden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verteilung der ersten Hair-Pin-Elemente und der zweiten Hair-Pin-Elemente auf deren Wicklungspositionen von Differenzen von elektrischen Potentialen der Hair-Pin-Elemente beim Anlegen einer statischen elektrischen Spannung an die Anschlussklemmen abhängig ist und/oder dass die Verteilung der ersten Hair-Pin-Elemente und der zweiten Hair-Pin-Elemente auf deren Wicklungspositionen von zu erwartenden Überspannungen, beispielsweise durch Wanderwellenvorgänge, abhängig ist und/oder dass die Verteilung der ersten Hair-Pin-Elemente und der zweiten Hair-Pin-Elemente auf deren Wicklungspositionen davon abhängig ist, an welche Hair-Pin-Elemente die Anschlussklemmen geschweißt sind, wobei für die Hair-Pin-Elemente, an welchen die Anschlussklemmen angeschweißt sind, von den ersten Hair-Pin-Elemente und den zweiten Hair-Pin-Elementen jene verwendet sind, welche die wirkungsvollere Isolationsschicht aufweisen. Denkbar ist, dass das elektrische Feld über die Potentialdifferenzen innerhalb der Wicklung auf Basis einfacher Wicklungsmodelle abgeschätzt werden. Weiterhin ist denkbar, dass neben dem elektrischen Feld auf Basis der Potentialdifferenzen einfacher Wicklungsmodelle auch die Permittivitäten der Isolationsmaterialien berücksichtigt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Isolationsschicht und die zweite Isolationsschicht unterschiedlich dick sind. Denkbar ist, dass die erste Isolationsschicht und die zweite Isolationsschicht Dickenunterschiede von mehreren µm, beispielsweise von 20 µm bis zu 80 µm aufweisen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Isolationsschicht und die zweite Isolationsschicht unterschiedliche Isolationsmaterialien aufweisen. Denkbar ist, dass die Isolationsmaterialien Polyamidimid und/oder Polyimid und/oder Polyetheretherketon aufweisen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist eine elektrische Maschine aufweisend einen erfindungsgemäßen Stator.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine konfiguriert ist, um von einem Umrichter gespeist zu werden, wobei der Umrichter einen SiC-Halbleiterschalter und/oder einen GaN-Halbleiterschalter aufweist. Die Verwendung derartiger Halbleiterschalter ermöglicht ein schnelles Schalten des Umrichters.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Elektrofahrzeug aufweisend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Ein Elektrofahrzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs. Elektrofahrzeuge umfassen daher neben rein elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen auch solche, welche neben einer elektrischen Maschine zur Erzeugung von Traktion auch einen Verbrennungsmotor aufweisen.
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Alle zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung eines Stators offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf den erfindungsgemäßen Stator, die erfindungsgemäße elektrische Maschine und das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch einen Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 illustriert schematisch ein Detail eines Stators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch ein Elektrofahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer elektrischen Maschine Elektrofahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist schematisch ein Stator 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Stator 1 weist einen Statorkern 3, beispielsweise ein Statorblechpaket, auf, in welchen Statornuten eingearbeitet sind, vgl. auch 2. In den Statornuten sind Hair-Pin-Elemente 2 angeordnet, welche zu einer Statorwicklung verschweißt sind. Die Hair-Pin-Elemente 2 weisen jeweils zwei Schenkel auf, welche in den Statornuten angeordnet sind. Die Schenkel eines Hair-Pin-Elementes 2 sind mit einer Spange des Hair-Pin-Elementes 2 verbunden. An der der Spange gegenüberliegenden Seite des Hair-Pin-Elementes 2 sind die Schenkel mit jeweils einem anderen Hair-Pin-Element 2 verbunden, wobei die Schenkel des Hair-Pin-Elementes 2 mit den anderen Hair-Pin-Elementen 2 entweder über jeweils eine weitere Spange verschweißt oder zueinander hin gebogen und miteinander verschweißt sind.
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In 2 ist schematisch ein Detail eines Stators 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zu sehen ist eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil des Stators 1 mit Blick in axialer Richtung. Zu erkennen sind zwei Statornuten 4 in welchen jeweils vier Hair-Pin-Elemente 2', 2" angeordnet sind. Die Hair-Pin-Elemente 2', 2" sind mit jeweils einem Schenkel in jeweils einer Statornut 4 angeordnet. Zwischen den zwei gezeigten Statornuten 4 mit darin angeordneten Hair-Pin-Elementen 2', 2" sind weitere Statornuten 4 angeordnet, was durch die gestrichelte und übereinanderliegende Darstellung der weiteren Starnuten angedeutet ist. Die Hair-Pin-Elemente 2', 2" sind aus ersten Hair-Pin-Elementen 2' mit jeweils einer ersten Isolationsschicht 5' und zweiten Hair-Pin-Elementen 2" mit jeweils einer zweiten Isolationsschicht 5" ausgewählt. Die zweite Isolationsschicht 5" ist dicker als die erste Isolationsschicht 5' und weist ein Isolationsmaterial auf, welches wirkungsvoller elektrisch isolierend wirkt als das Isolationsmaterial der ersten Isolationsschicht 5'. Die Anordnung der ersten Hair-Pin-Elemente 2' und des zweiten Hair-Pin-Elementes erfolgte anhand der Differenzen der elektrischen Potentiale auf denen die Hair-Pin-Elemente 2', 2" bei Anlegen einer statischen elektrischen Spannung an die Wicklung des Stators liegen, sowie anhand der Position von Anschlussklemmen des Stators. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist an das Hair-Pin-Element 2", welches in der linken Statornut 4 an unterster Position und in der rechten Statornut 4 an der zweiten Position von unten eingeschoben ist, eine Anschlussklemme zum Anschluss einer elektrischen Leitung zwischen Umrichter (siehe 3) und Stator angeschweißt (hier nicht gezeigt). Ferner ist die Differenz der Potentiale zwischen dem Hair-Pin-Element 2", welches in der linken Statornut 4 an unterster Position und in der rechten Statornut 4 an der zweiten Position von unten eingeschoben ist und seinen benachbarten Hair-Pin-Elementen 2' besonders groß. Daher wurde an dieser Wicklungsposition als Hair-Pin-Element 2" ein zweites Hair-Pin-Element 2" eingeschoben, welches die zweite Isolationsschicht 5" aufweist. Somit ist auf der einen Seite sichergestellt, dass trotz möglicher Spannungsüberhöhungen z. B. durch Wanderwellenvorgänge an der Anschlussklemme und einer hohen Differenz der Potentiale zwischen den benachbarten Hair-Pin-Elementen 2', 2" die Wahrscheinlichkeit von Überschlägen verringert wird und gleichzeitig so wenig Isolationsmaterial verbaut wird wie möglich, was Kosten und Gewicht spart. Diese bedarfsgerechte Isolation des Stators für eine elektrische Maschine (siehe 3) erhöht die Effizienz der Herstellung und die Effizienz des Betriebs des Stators.
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In 3 ist schematisch ein Elektrofahrzeug 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer elektrischen Maschine 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie einen Umrichter 101 auf. Der Umrichter 101 umfasst SiC-Halbleiterschalter, wodurch sehr steile Spannungsanstiege ermöglicht werden können.
