DE102019131068B4

DE102019131068B4 - Stator für eine elektrische Maschine und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102019131068B4
Application number: DE102019131068.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Gerold
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: FEAAM GmbH
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2039-11-19
Also published as: DE102019131068A1; US20210175759A1; CN112821592A

Abstract

Es wird ein Stator (20) für eine elektrische Maschine (21) angegeben, der Stator (20) umfassend Nuten (22) zur Aufnahme elektrischer Wicklungen (23), und mindestens zwei Zähne (24), wobei zwischen zwei benachbarten Nuten (22) jeweils ein Zahn (24) des Stators (20) ausgebildet ist, wobei mindestens zwei der Zähne (24) eine Ausnehmung (25) aufweisen, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn (24) erstreckt, und in den Ausnehmungen (25) jeweils mindestens zwei elektrische Leiter (26) angeordnet sind, welche miteinander kurzgeschlossen sind. Außerdem wird eine elektrische Maschine (21) angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine und eine elektrische Maschine.
Typischerweise umfassen elektrische Maschinen einen Stator und einen dazu relativ beweglichen Rotor. Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch arbeiten, wobei elektrische Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt konvertiert wird. Im Betrieb interagiert ein Magnetfeld des Rotors mit einem Magnetfeld des Stators.
Um die elektrische Maschine effizient zu betreiben, ist es ein Ziel ein möglichst großes Drehmoment zu erzeugen. Außerdem sollten Verluste in der elektrischen Maschine reduziert werden. Dazu können beispielsweise sogenannte Flussbarrieren im Stator vorgesehen sein. Die Flussbarrieren erstrecken sich teilweise durch den Stator und sind mit Luft gefüllt. Es können jedoch auch bei der Verwendung von Flussbarrieren Verluste aufgrund der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft auftreten, welche nicht zur Erzeugung des Drehmoments genutzt werden.
Dokument DE 38 77 807 T2 betrifft einen Schrittmotor, der die Segmente des Stators trennt, um Streuflüsse zu verhindern und den Fluss im Zahn des Stators zu vergrößern.
In dem Dokument DE 10 2006 004 537 A1 ist eine elektrische Maschine gezeigt, bei der eine Segmentierung von Magneten vorgesehen ist.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Stator für eine elektrische Maschine anzugeben, welche effizient betrieben werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, eine elektrische Maschine anzugeben, welche effizient betrieben werden kann.
Die Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators für eine elektrische Maschine, umfasst der Stator Nuten zur Aufnahme elektrischer Wicklungen. Der Stator weist eine Längsachse auf. Bei den Nuten kann es sich um Ausnehmungen im Stator handeln. Die Nuten können sich jeweils entlang der gesamten Längsachse des Stators erstrecken. Die Nuten können vollständig im Stator angeordnet sein. In diesem Fall weisen die Nuten keine Öffnung nach außerhalb des Stators auf. Es ist weiter möglich, dass die Nuten jeweils mindestens eine Öffnung aufweisen. Die Öffnungen können beispielsweise an einer Innenseite des Stators angeordnet sein. Zum Beispiel können die Öffnungen an einer Seite des Stators angeordnet sein, an welcher ein Rotor der elektrischen Maschine angeordnet sein kann. Die Nuten können entlang des Umfangs des Stators verteilt sein. Beispielsweise können die Nuten gleichmäßig entlang des Umfangs des Stators verteilt sein.
Weiter umfasst der Stator mindestens zwei Zähne, wobei zwischen zwei benachbarten Nuten jeweils ein Zahn des Stators ausgebildet ist. Somit sind entlang des Umfangs des Stators abwechselnd ein Zahn und eine Nut angeordnet. In den Nuten können elektrische Wicklungen des Stators angeordnet sein. Dazu ist beispielsweise um jeden Zahn des Stators eine elektrische Wicklung gewickelt. Dabei sind die elektrischen Wicklungen zumindest stellenweise in den Nuten angeordnet. Es ist weiter möglich, dass um jeden zweiten Zahn des Stators eine elektrische Wicklung gewickelt ist. In diesen Fällen handelt es sich um eine konzentrierte Wicklung. Auch andere konzentrierte Wicklungssysteme sind möglich. Die elektrischen Wicklungen weisen jeweils ein elektrisch leitfähiges Material auf. Die elektrischen Wicklungen können an eine Leistungselektronik angeschlossen sein und dazu ausgelegt sein ein Drehfeld zu erzeugen. Die Zähne können entlang des Umfangs des Stators gleichmäßig verteilt sein. Weiter können die Zähne jeweils die gleiche Ausdehnung entlang des Umfangs des Stators aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Zähne unterschiedliche groß sind.
Mindestens zwei der Zähne weisen eine Ausnehmung auf, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn erstreckt. Die Ausnehmungen können sich jeweils entlang der Längsachse vollständig durch den Stator erstrecken. Das bedeutet, die Ausnehmungen können sich jeweils parallel zu den benachbarten Nuten erstrecken. Der Stator kann eine Vielzahl von Blechpaketen aufweisen, in welche die Nuten und die Ausnehmungen eingebracht sind. Die Blechpakete können Eisen aufweisen. Ausnehmung bedeutet demnach die Abwesenheit des Materials der Blechpakete beziehungsweise die Abwesenheit von den Magnetfluss führendem Material, derart, dass der Magnetfluss im Bereich der Ausnehmung gehemmt wird.
In den Ausnehmungen sind jeweils mindestens zwei elektrische Leiter angeordnet, welche miteinander kurzgeschlossen sind. Die elektrischen Leiter weisen jeweils ein elektrisch leitfähiges Material auf. Beispielsweise sind die elektrischen Leiter jeweils Drähte. Die elektrischen Leiter können sich entlang der Längsachse des Stators vollständig durch diesen erstrecken. Die elektrischen Leiter, welche in derselben Ausnehmung angeordnet sind, sind miteinander kurzgeschlossen. Weiter können elektrische Leiter, welche in verschiedenen Ausnehmungen angeordnet sind, ebenfalls miteinander kurzgeschlossen sein.
Im Betrieb der elektrischen Maschine wird in den elektrischen Leitern in den Ausnehmungen eine Spannung induziert. Beispielsweise wird die Spannung in den elektrischen Leitern durch die Grundwelle des Magnetfeldes des Stators erzeugt. Somit werden die elektrischen Leiter durch die Grundwelle selbsterregt. Die in den elektrischen Leitern erzeugte Spannung führt zu einem Strom und damit zu einem zusätzlichen magnetischen Fluss. Da die elektrischen Leiter miteinander kurzgeschlossen sind, kann ein Strom fließen und ein magnetischer Fluss wird erzeugt. Es hat sich gezeigt, dass dieser zusätzliche magnetische Fluss dazu führt, dass das Drehmoment der elektrischen Maschine erhöht ist und dass Rotorverluste reduziert werden. Außerdem können unerwünschte harmonische Komponenten der magnetomotorischen Kraft signifikant reduziert werden.
Als unerwünscht gelten dabei alle harmonischen Komponenten, die nicht als Arbeitswelle genutzt werden. Dies können höhere Harmonische und/oder Sub-Harmonische sein, wobei die Begriffe höher und Sub- jeweils auf die Ordnung der als Arbeitswelle genutzten Harmonischen bezogen sind. Die Reduzierung der unerwünschten Harmonischen, beispielsweise der Grundwelle, der die Ordnungszahl 1 zugewiesen ist, führt wiederum dazu, dass der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht und bzw. oder unerwünschte akustische Beeinträchtigungen und Vibrationen reduziert sind.
Der durch die elektrischen Leiter erzeugte zusätzliche magnetische Fluss kann dazu führen, dass die Grundwelle und weitere Sub-Harmonische der magnetomotorischen Kraft reduziert sind. Zugleich kann die harmonische Komponente, welche zur Erzeugung des Drehmoments genutzt wird, welche also als Arbeitswelle genutzt wird, vergrößert sein. Somit kann das Nenndrehmoment der elektrischen Maschine vergrößert werden.
Des Weiteren sind aufgrund der elektrischen Leiter in den Ausnehmungen die Eisen- und Magnetverluste der elektrischen Maschine verringert. Somit ist insgesamt der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine größer. Das bedeutet, die elektrische Maschine kann effizienter betrieben werden.
Die Ausnehmung mit den elektrischen Leitern erfordert in der Herstellung keinen nennenswerten Zusatzaufwand, da die Blechpakete des Stators ohnehin üblicherweise Stanzteile sind und die Ausnehmung im gleichen Arbeitsschritt ausgestanzt werden kann. Die elektrischen Leiter können anschließend in den Nuten angeordnet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstrecken sich die Ausnehmungen jeweils in einer radialen Richtung, wobei die radialen Richtungen jeweils parallel zu einem Radius in einem Querschnitt durch den Stator verlaufen und der Radius durch den jeweiligen Zahn verläuft. Der Querschnitt durch den Stator verläuft senkrecht zur Längsachse des Stators. Der Stator kann in etwa die Form eines Zylinders aufweisen. Dann weist der Stator im Querschnitt die Form eines Kreises auf. Die radialen Richtungen verlaufen jeweils parallel zu einem Radius innerhalb des Kreises. Die radialen Richtungen, in welchen sich die Ausnehmungen jeweils erstrecken, verlaufen jeweils parallel zu einem Radius durch den jeweiligen Zahn. Das bedeutet, jedem Zahn ist ein Radius zugeordnet, welcher mittig durch den Zahn verläuft. Die Ausnehmungen können sich entlang der jeweiligen radialen Richtung teilweise oder vollständig durch den Stator erstrecken. Abgesehen von den elektrischen Leitern kann in den Ausnehmungen Luft angeordnet sein. Somit wirken die Ausnehmungen als Flussbarrieren im Stator. Durch das Anordnen der elektrischen Leiter in den Ausnehmungen wird das von der elektrischen Maschine im Betrieb erzeugte Drehmoment vergrößert. Außerdem kann die elektrische Maschine insgesamt effizienter betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist mindestens jeder zweite Zahn eine der Ausnehmungen auf. Das bedeutet, dass entlang des Umfangs des Stators mindestens jeder zweite Zahn eine der Ausnehmungen aufweist. Um die Zähne, welche keine Ausnehmungen aufweisen, können die elektrischen Wicklungen des Stators gewickelt sein. Somit ist um jeden zweiten Zahn eine elektrische Wicklung gewickelt. Dieser Aufbau ermöglicht einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist jeder Zahn eine der Ausnehmungen auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform kann mindestens einer der elektrischen Leiter von außerhalb des Stators nicht elektrisch kontaktiert werden. Das kann bedeuten, dass der elektrische Leiter vollständig im Stator angeordnet ist. Außerdem ist der elektrische Leiter nicht an einer Außenseite des Stators angeordnet. Somit ist der elektrische Leiter von außerhalb des Stators nicht zugänglich. Ein Zugriff auf den elektrischen Leiter von außerhalb des Stators ist nicht möglich. Folglich ist der elektrische Leiter nicht mit einer Leistungselektronik verbunden. Damit dient der elektrische Leiter innerhalb der Ausnehmungen als elektrisch leitfähiges Material, in welchem im Betrieb der elektrischen Maschine eine Spannung induziert wird. Die induzierte Spannung führt zu einem Strom und einem zusätzlichen magnetischen Fluss.
Dies ermöglicht, wie oben beschrieben, dass die elektrische Maschine effizienter betrieben wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform füllen die elektrischen Leiter die Ausnehmungen jeweils nicht vollständig aus. Das bedeutet, dass nicht das gesamte Volumen der Ausnehmungen mit den elektrischen Leitern gefüllt ist. Abgesehen von den elektrischen Leitern können die Ausnehmungen mit Luft gefüllt sein. Da die elektrischen Leiter die Ausnehmungen nicht vollständig ausfüllen, können die elektrischen Leiter einfach in den Ausnehmungen platziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind elektrische Leiter in zwei Ausnehmungen elektrisch miteinander verbunden. Im Querschnitt durch den Stator sind die Ausnehmungen entlang des Umfangs des Stators verteilt. Die zwei Ausnehmungen sind an verschiedenen Positionen entlang des Umfangs des Stators angeordnet. Die elektrischen Leiter in den zwei Ausnehmungen können jeweils einen geschlossenen Ring bilden, welcher sich teilweise durch die zwei Ausnehmungen erstreckt. Beispielsweise ist der Ring vollständig im Stator angeordnet, so dass dieser nicht von außerhalb des Stators kontaktiert werden kann. Somit kann im Betrieb der elektrischen Maschine in den elektrischen Leitern eine Spannung induziert werden. Wie oben erläutert, ermöglicht dies einen effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind elektrische Leiter in zwei Ausnehmungen, welche in einem Querschnitt durch den Stator einander gegenüber liegen, elektrisch miteinander verbunden. Zwei Ausnehmungen, welche in einem Querschnitt durch den Stator einander gegenüber liegen, erstrecken sich im Querschnitt durch den Stator entlang einer Geraden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind elektrische Leiter in zwei weiteren Ausnehmungen elektrisch miteinander verbunden, wobei die elektrischen Leiter in den zwei Ausnehmungen von den elektrischen Leitern in den zwei weiteren Ausnehmungen elektrisch isoliert sind. Die weiteren Ausnehmungen können den gleichen Aufbau wie die Ausnehmungen aufweisen. Somit können die elektrischen Leiter in den zwei weiteren Ausnehmungen wie für die Ausnehmungen beschrieben angeordnet sein.
Bevorzugt weist der Stator vier weitere Ausnehmungen auf, in welchen elektrische Leiter angeordnet sind. Dabei liegen jeweils zwei weitere Ausnehmungen im Querschnitt durch den Stator einander gegenüber. Außerdem liegen die zwei Ausnehmungen im Querschnitt durch den Stator einander gegenüber. Elektrische Leiter in Ausnehmungen oder weiteren Ausnehmungen, welche einander im Querschnitt durch den Stator nicht gegenüber liegen, sind gegeneinander elektrisch isoliert. Somit entsteht in den elektrischen Leitern eine drei-phasige Spannung, welche ein konstantes zusätzliches Drehmoment ermöglicht. Damit kann die elektrische Maschine im Betrieb insgesamt ein größeres Drehmoment erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die elektrischen Leiter ein Metall auf. Beispielsweise weisen die elektrischen Leiter Kupfer auf. Somit stellen die elektrischen Leiter ein elektrisch leitfähiges Material dar, in welchem eine Spannung induziert werden kann. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die Ausnehmungen jeweils eine zusätzliche Nut. Das kann bedeuten, dass die Ausnehmungen jeweils als eine zusätzliche Nut gebildet sind. Die zusätzliche Nut kann zu einer Innen- und/oder zu einer Außenseite des Stators hin geöffnet sein. Es ist weiter möglich, dass die zusätzliche Nut vollständig innerhalb des Statorblechs angeordnet ist. Die in den Ausnehmungen angeordneten elektrischen Leiter ermöglichen einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Ausnehmungen jeweils eine zusätzliche Nut auf, welche sich von einer Innenseite zu einer Außenseite vollständig durch den Stator erstreckt. Bei der Innenseite des Stators kann es sich um die Seite handeln, an welcher ein Rotor der elektrischen Maschine angeordnet sein kann. In diesem Fall handelt es sich bei der Außenseite um die Seite des Stators, welche von der Innenseite abgewandt ist. Somit erstrecken sich die Ausnehmungen weiter durch den Stator als die Nuten. Die Ausnehmungen wirken damit als Flussbarrieren. Außerdem ermöglichen die in den Ausnehmungen angeordneten elektrischen Leiter einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine.
Des Weiteren wird eine elektrische Maschine angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, weist die elektrische Maschine den Stator auf. Somit sind alle Merkmale des beschriebenen Stators auch für die elektrische Maschine offenbart und umgekehrt. Die elektrische Maschine weist weiter einen relativ zum Stator beweglichen Rotor auf. Bei dem Rotor kann es sich um einen Innenläufer oder einen Außenläufer handeln. Handelt es sich bei dem Rotor um einen Innenläufer, so ist eine Außenseite des Rotors dem Stator zugewandt. Der Rotor kann auf einer Welle der elektrischen Maschine angeordnet sein. Zwischen dem Stator und dem Rotor kann ein Luftspalt angeordnet sein. Der Rotor kann Permanentmagnete aufweisen. Die Permanentmagnete können an der dem Stator zugewandten Seite des Rotors angeordnet sein. Wie oben beschrieben weist die elektrische Maschine einen erhöhten Wirkungsgrad auf und die Verluste sind verringert. Somit kann die elektrische Maschine effizienter betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist im Betrieb eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses. Das bedeutet, dass zum Beispiel eine harmonische Komponente mit einer Ordnung von größer als 1 der magnetomotorischen Kraft als Arbeitswelle verwendet wird. Zum Beispiel wird die 7. Harmonische der magnetomotorischen Kraft als Arbeitswelle verwendet. Das bedeutet, diese Komponente der magnetomotorischen Kraft wird im Betrieb der elektrischen Maschine zur Drehmomenterzeugung genutzt. In Verbindung mit den Ausnehmungen und den elektrischen Leitern in den Ausnehmungen ermöglicht die Verwendung einer höheren harmonischen Komponente als der Grundwelle als Arbeitswelle einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine sind die Ausnehmungen mit einem zwischen dem Rotor und dem Stator angeordneten Luftspalt verbunden. Das bedeutet, dass die Ausnehmungen zum Luftspalt hin geöffnet sind. Somit befindet sich in den Ausnehmungen teilweise Luft. Damit bilden die Ausnehmungen Flussbarrieren. Weiter können die Ausnehmungen zu einer dem Rotor abgewandten Seite des Stators geschlossen sein. Das bedeutet, dass sich die Ausnehmungen in den radialen Richtungen nicht vollständig sondern nur teilweise durch den Stator erstrecken. Dies führt dazu, dass die Rotorverluste weiter verringert sind und somit der Wirkungsgrad erhöht ist. Daher kann die elektrische Maschine effizienter betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine sind die Ausnehmungen zu der dem Rotor abgewandten Seite des Stators hin geöffnet. Das bedeutet, die Ausnehmungen können zu einer Außenseite des Stators hin geöffnet sein. Zusätzlich können die Ausnehmungen mit den Luftspalt verbunden sein. In diesem Fall erstrecken sich die Ausnehmungen in den radialen Richtungen vollständig durch den Stator. Es ist jedoch auch möglich, dass die Ausnehmungen nicht mit dem Luftspalt verbunden sind. Somit erstrecken sich die Ausnehmungen in den radialen Richtungen stellenweise durch den Stator. In jedem Fall ermöglichen die elektrischen Leiter in den Ausnehmungen einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine.
Im Folgenden werden der hier beschriebene Stator und die elektrische Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

In 1 ist ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Stators gezeigt.
In 2 ist ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine gezeigt.
3 zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel eines Stators.
In 4 ist für verschiedene harmonische Komponenten die magnetische Flussdichte im Luftspalt aufgetragen.
In 5 ist für verschiedene elektrische Maschinen das Drehmoment über der Zeit aufgetragen.
In 6 ist ein Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine gezeigt.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Stators 20 für eine elektrische Maschine 21. Der Stator 20 weist Nuten 22 zur Aufnahme elektrischer Wicklungen 23 auf. Insgesamt weist der Stator 20 zwölf Nuten 22 auf. Die Nuten 22 sind entlang des Umfangs des Stators 20 angeordnet. Außerdem sind die Nuten 22 zu einer Innenseite 29 des Stators 20 hin geöffnet. In den Nuten 22 sind elektrische Wicklungen 23 angeordnet. In 1 ist dargestellt, in welche Richtung elektrischer Strom in den elektrischen Wicklungen 23 im Betrieb der elektrischen Maschine 21 fließt. Die Nuten 22 erstrecken sich in radialen Richtungen r teilweise durch den Stator 20. Die radialen Richtungen r verlaufen jeweils parallel zu einem Radius in einem Querschnitt durch den Stator 20. Der Stator 20 weist weiter Blechpakete 33 auf, in welche die Nuten 22 eingebracht sind.
Außerdem weist der Stator 20 mindestens zwei Zähne 24 auf, wobei zwischen zwei benachbarten Nuten 22 jeweils ein Zahn 24 des Stators 20 ausgebildet ist. Die Zähne 24 sind entlang des Umfangs des Stators 20 verteilt angeordnet. Insgesamt weist der Stator 20 zwölf Zähne 24 auf. Die elektrischen Wicklungen 23 sind um jeden zweiten Zahn 24 entlang des Umfangs des Stators 20 gewickelt.
Die Zähne 24, um welche keine der elektrischen Wicklungen 23 gewickelt ist, weisen jeweils eine Ausnehmung 25 auf, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn 24 erstreckt. Somit weist jeder zweite Zahn 24 eine Ausnehmung 25 auf. Die Ausnehmungen 25 erstrecken sich jeweils in einer radialen Richtung r, wobei die jeweilige radiale Richtung r durch den jeweiligen Zahn 24 verläuft. Die Ausnehmungen 25 können jeweils eine zusätzliche Nut 28 umfassen. Die Ausnehmungen 25 erstrecken sich wie die Nuten 22 entlang einer Längsachse des Stators 20 vollständig durch diesen. Außerdem erstrecken sich die Ausnehmungen 25 oder die zusätzlichen Nuten 28 von einer Innenseite 29 zu einer Außenseite 30 des Stators 20 vollständig durch diesen.
Des Weiteren sind in den Ausnehmungen 25 jeweils mindestens zwei elektrische Leiter 26 angeordnet, welche miteinander kurzgeschlossen sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind jeweils fünf elektrische Leiter 26 in jeder Ausnehmung 25 angeordnet. Die elektrischen Leiter 26 weisen ein elektrisch leitfähiges Material, zum Beispiel ein Metall, auf. Die elektrischen Leiter 26 füllen die Ausnehmungen 25 jeweils nicht vollständig aus. Das bedeutet, abgesehen von den elektrischen Leitern 26 ist Luft in den Ausnehmungen 25 angeordnet. Mindestens einer der elektrischen Leiter 26 ist derart im Stator 20 angeordnet, dass der elektrische Leiter 26 von außerhalb des Stators 20 nicht elektrisch kontaktiert werden kann. Das bedeutet, dieser elektrische Leiter 26 ist von außerhalb des Stators 20 nicht zugänglich.
In 1 ist weiter dargestellt, in welche Richtung im Betrieb der elektrischen Maschine 21 Strom in den elektrischen Leitern 26 fließt. Dies wird dadurch erreicht, dass elektrische Leiter 26 in zwei Ausnehmungen 25, welche im Querschnitt durch den Stator 20 gegenüber liegen, elektrisch miteinander verbunden sind. Elektrische Leiter 26 in benachbarten Ausnehmungen 25 sind gegeneinander elektrisch isoliert. Außerdem weist der Stator 20 vier weitere Ausnehmungen 27 auf. Die weiteren Ausnehmungen 27 haben den gleichen Aufbau wie die Ausnehmungen 25. Die elektrischen Leiter 26 in zwei weiteren Ausnehmungen 27, welche im Querschnitt durch den Stator 20 einander gegenüber liegen, sind elektrisch miteinander verbunden. Dies gilt für alle vier weiteren Ausnehmungen 27. Somit weist der Stator 20 drei Paare von Ausnehmungen 25, 27 auf, bei welchen für jedes Paar die elektrischen Leiter 26 miteinander kurzgeschlossen sind. Außerdem sind bei jedem Paar der Ausnehmungen 25, 27 die Ausnehmungen 25, 27 an gegenüberliegenden Seiten des Stators 20 angeordnet.
In 2 ist ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 21 gezeigt. Die elektrische Maschine 21 weist den Stator 20 und einen relativ zum Stator 20 beweglichen Rotor 31 auf. Der Stator 20 weist den in 1 gezeigten Aufbau auf. Der Rotor 31 ist als Innenläufer an der Innenseite 29 des Stators 20 angeordnet. Zwischen dem Stator 20 und dem Rotor 31 ist ein Luftspalt 32 angeordnet. Die Ausnehmungen 25, 27 des Stators 20 sind mit dem Luftspalt 32 verbunden. Außerdem erstrecken sich die Ausnehmungen 25, 27 in radialen Richtungen r vollständig durch den Stator 20, so dass die Ausnehmungen 25, 27 zu der dem Rotor 31 abgewandten Seite des Stators 20 hin geöffnet sind. Der Rotor 31 weist 14 Permanentmagnete 34 auf, welche an einer Außenseite 30 des Rotors 31 angeordnet sind. Die Außenseite 30 des Rotors 31 ist dem Luftspalt 32 zugewandt. Bei der elektrischen Maschine 21 ist im Betrieb die Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von der Grundwelle des Magnetflusses. Das bedeutet, dass nicht die Grundwelle des Magnetflusses zur Drehmomenterzeugung genutzt wird, sondern die siebte harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft.
In 3 ist ein Querschnitt durch ein Beispiel eines Stators 20 gezeigt. Das in 3 gezeigte Beispiel ist kein Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Stator 20 sind in dem Beispiel in 3 keine elektrischen Leiter 26 in den Ausnehmungen 25 angeordnet.
In 4 ist die magnetische Flussdichte im Luftspalt 32 für verschiedene harmonische Komponenten aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der harmonischen Komponenten aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte in Tesla aufgetragen. Die weißen Balken geben die magnetische Flussdichte für das in 3 gezeigte Beispiel eines Stators 20 an und die schwarzen Balken geben die magnetische Flussdichte für das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des Stators 20 an. Somit verdeutlicht 4 die Vorteile des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels des Stators 20.
Bei einer elektrischen Maschine mit dem in 1 gezeigten Stator 20 wird im Betrieb die 7. harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft als Arbeitswelle verwendet. Das bedeutet, diese Komponente wird zur Drehmomenterzeugung genutzt. Andere Komponenten der magnetomotorischen Kraft wirken sich als Verluste aus. Somit ist es vorteilhaft die magnetische Flussdichte von Subharmonischen und höheren Harmonischen zu reduzieren. Im Vergleich zu einer elektrischen Maschine mit dem Stator 20 aus 3 ist bei einer elektrischen Maschine mit dem Ausführungsbeispiel des Stators 20 aus 1 die magnetische Flussdichte für die Grundwelle deutlich reduziert. Weiter ist die magnetische Flussdichte für die harmonischen Komponenten der Ordnungen 3, 5 und 9 reduziert. Außerdem ist für eine elektrische Maschine mit dem Stator 20 aus 1 die magnetische Flussdichte der 7. harmonischen Komponente größer als für eine elektrische Maschine mit dem Stator 20 aus 3. Damit können mit einer elektrischen Maschine mit dem Stator 20 aus 1 und dem Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 21 aus 2 im Betrieb ein höheres Drehmoment erzeugt werden und die Verluste sind reduziert im Vergleich zu einer elektrischen Maschine mit dem Stator 20 aus 3, welche keine elektrischen Leiter 26 aufweist. Somit ermöglichen die elektrischen Leiter 26, dass eine elektrische Maschine mit dem Stator 20 aus 1 und die elektrische Maschine 21 aus 2 effizienter betrieben werden können als eine elektrische Maschine mit dem Stator 20 aus 3.
In 5 ist für zwei verschiedene elektrische Maschinen 21 das Drehmoment über der Zeit aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf der y-Achse ist das Drehmoment in Nm aufgetragen. Die gestrichelte Linie zeigt das Drehmoment für eine elektrische Maschine mit dem Stator 20 aus 3. Die durchgezogene Linie zeigt das Drehmoment für eine elektrische Maschine mit dem Stator 20 aus 1. Für den Stator 20 aus 1 zeigt das Drehmoment einen längeren Einschwingvorgang, insgesamt weist das Drehmoment jedoch einen höheren Wert als für den Stator 20 aus 3 auf. Somit ermöglichen die elektrischen Leiter 26 in den Ausnehmungen 25 vorteilhafterweise die Erzeugung eines größeren Drehmoments.
In 6 ist ein Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 21 gezeigt. Im Unterschied zu den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen erstrecken sich die Ausnehmungen 25 in radialen Richtungen r nicht vollständig sondern nur teilweise durch den Stator 20. Die Ausnehmungen 25 sind zum Luftspalt 32 hin jeweils geöffnet. Zu einer dem Luftspalt 32 abgewandten Außenseite 30 des Stators 20 sind die Ausnehmungen 25 geschlossen.
Dieser Aufbau führt dazu, dass der magnetische Widerstand für den magnetischen Fluss, der durch die in den elektrischen Leitern 26 induzierte Spannung entsteht, sinkt. Dadurch sind die Verluste in der elektrischen Maschine 21 weiter verringert. Das Drehmoment weist den gleichen Wert wie für das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 21 auf. Somit ist der Wirkungsgrad und damit die Effizienz für das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel größer als für das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel.
Bezugszeichenliste

20: Stator
21: elektrische Maschine
22: Nut
23: elektrische Wicklung
24: Zahn
25: Ausnehmung
26: elektrischer Leiter
27: weitere Ausnehmung
28: zusätzliche Nut
29: Innenseite
30: Außenseite
31: Rotor
32: Luftspalt
33: Blechpaket
34: Permanentmagnet
r: radiale Richtung

Claims

Stator (20) für eine elektrische Maschine (21), der Stator (20) umfassend: - Nuten (22) zur Aufnahme elektrischer Wicklungen (23), und - mindestens zwei Zähne (24), wobei zwischen zwei benachbarten Nuten (22) jeweils ein Zahn (24) des Stators (20) ausgebildet ist, wobei - mindestens zwei der Zähne (24) eine Ausnehmung (25) aufweisen, welche sich zumindest teilweise durch den jeweiligen Zahn (24) erstreckt, und - in den Ausnehmungen (25) jeweils mindestens zwei elektrische Leiter (26) angeordnet sind, welche miteinander kurzgeschlossen sind.
Stator (20) gemäß Anspruch 1, bei dem sich die Ausnehmungen (25) jeweils in einer radialen Richtung (r) erstrecken, wobei die radialen Richtungen (r) jeweils parallel zu einem Radius in einem Querschnitt durch den Stator (20) verlaufen und der Radius durch den jeweiligen Zahn (24) verläuft.
Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem mindestens jeder zweite Zahn (24) eine der Ausnehmungen (25) aufweist.
Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem mindestens einer der elektrischen Leiter (26) von außerhalb des Stators (20) nicht elektrisch kontaktiert werden kann.
Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die elektrischen Leiter (26) die Ausnehmungen (25) jeweils nicht vollständig ausfüllen.
Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem elektrische Leiter (26) in zwei Ausnehmungen (25) elektrisch miteinander verbunden sind.
Stator (20) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem elektrische Leiter (26) in zwei weiteren Ausnehmungen (27) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die elektrischen Leiter (26) in den zwei Ausnehmungen (25) von den elektrischen Leitern (26) in den zwei weiteren Ausnehmungen (27) elektrisch isoliert sind.
Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die elektrischen Leiter (26) ein Metall aufweisen.
Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Ausnehmungen (25) jeweils eine zusätzliche Nut (28) umfassen.
Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Ausnehmungen (25) jeweils eine zusätzliche Nut (28) aufweisen, welche sich von einer Innenseite (29) zu einer Außenseite (30) vollständig durch den Stator (20) erstreckt.
Elektrische Maschine (21) mit einem Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche und einem relativ zum Stator (20) beweglichen Rotor (31).
Elektrische Maschine (21) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei der im Betrieb eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses ist.
Elektrische Maschine (21) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der die Ausnehmungen (25) mit einem zwischen dem Rotor (31) und dem Stator (20) angeordneten Luftspalt (32) verbunden sind.
Elektrische Maschine (21) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der die Ausnehmungen (25) zu der dem Rotor (31) abgewandten Seite des Stators (20) hin geöffnet sind.