DE102019135140A1 - Electric machine stator, related manufacturing process, electric machine, and vehicle - Google Patents
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Abstract
Stator (1) für eine elektrische Maschine (100), umfassend
- einen Statorkern (2) mit Statornuten (3), die in einer Umfangsrichtung bezüglich einer Mittelachse (4) des Statorkerns (2) verteilt angeordnet sind, und
- eine Hairpinwicklung (5); wobei die Hairpinwicklung (5) mehrere Paare (7) von durch ein Kühlfluid durchströmbaren Formleitern (6a, 6b), die sich durch zwei unterschiedliche Statornuten (3) erstrecken, umfasst, wobei die Formleiter (6a, 6b) eines jeweiliges Paares (7) an einer Stirnseite des Stators (1) durch eine an den Formleitern (6a, 6b) befestigte Verbindungsvorrichtung (8), die nicht durch das Kühlfluid durchströmbar ist, elektrisch leitfähig verbunden sind.
Stator (1) for an electrical machine (100), comprising
- A stator core (2) with stator slots (3) which are arranged distributed in a circumferential direction with respect to a central axis (4) of the stator core (2), and
- a hairpin winding (5); wherein the hairpin winding (5) comprises several pairs (7) of shaped conductors (6a, 6b) through which a cooling fluid can flow and which extend through two different stator slots (3), the shaped conductors (6a, 6b) of a respective pair (7) are electrically conductively connected to one end face of the stator (1) by a connecting device (8) which is fastened to the shaped conductors (6a, 6b) and through which the cooling fluid cannot flow.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkern mit Statornuten, die in einer Umfangsrichtung bezüglich einer Mittelachse des Statorkerns verteilt angeordnet sind, und eine Hairpinwicklung.The present invention relates to a stator for an electrical machine, comprising a stator core with stator slots, which are arranged distributed in a circumferential direction with respect to a central axis of the stator core, and a hairpin winding.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine und ein Fahrzeug.In addition, the invention relates to a method for producing a stator for an electrical machine, an electrical machine and a vehicle.
Statoren mit einer Hairpinwicklung sind, insbesondere auf dem Gebiet elektrischer Antriebe für Fahrzeuge, in den Fokus industrieller Entwicklungsbemühungen gerückt. Gegenüber verteilten Wicklungen lassen Sie insbesondere eine weitgehend automatisierte Fertigung zu, weil auf ein aufwändiges Einziehen einer aus dünnen Drähten gebildeten Wicklung verzichtet werden kann. Beim Betrieb einer einen solchen Stator aufweisenden elektrischen Maschine entstehen Wärmeverluste, die im Wesentlichen proportional zum durch die Hairpinwicklung fließenden Strom sind. Werden diese Ströme zu groß, kann es zu einem thermischen Fehler am Stator, insbesondere an der Hairpinwicklung, kommen. Es wurde bereits vorgeschlagen, solche Statoren in durch ein Kühlfluid, beispielsweise Öl, zu kühlen, um eine hohe Ausnutzung der elektrischen Maschine zu erreichen.Stators with a hairpin winding have become the focus of industrial development efforts, particularly in the field of electric drives for vehicles. Compared to distributed windings, they allow largely automated production, because there is no need to draw in a winding made of thin wires. When operating an electrical machine having such a stator, heat losses occur which are essentially proportional to the current flowing through the hairpin winding. If these currents become too high, a thermal fault can occur on the stator, in particular on the hairpin winding. It has already been proposed to cool such stators by a cooling fluid, for example oil, in order to achieve a high degree of utilization of the electrical machine.
Das Dokument
Zum Aufbau eines solchen Stators werden hohle Formleiter zu einem U-Pin zu gebogen. Dies erfordert zumindest ein Ausbilden einer spitzwinkligen Biegung des Formleiters, welche den Innendurchmesser des Leiters lokal reduziert und so eine Volumenstromdichte des Kühlfluids lokal erhöht. Ist es gewünscht, das Kühlfluid an der die Biegung aufweisenden Stirnseite des Stators aus dem Formleiter heraus zu leiten, sind aufwendige Bohrungen in den Formleiter einzubringen, die exakt positioniert werden müssen, um den Hohlraum korrekt zu erreichen. Dies ist äußerst aufwendig.To build such a stator, hollow shaped conductors are bent to form a U-pin. This requires at least the formation of an acute-angled bend of the shaped conductor, which locally reduces the inner diameter of the conductor and thus locally increases a volume flow density of the cooling fluid. If it is desired to guide the cooling fluid out of the shaped conductor at the end face of the stator having the bend, complex bores must be made in the shaped conductor, which must be positioned exactly in order to correctly reach the cavity. This is extremely time-consuming.
Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, insbesondere fluidmechanisch vorteilhafte und/oder aufwandsarm realisierbare, Möglichkeit zur Kühlung eines eine Hairpinwicklung aufweisenden Stators anzugeben.The invention is therefore based on the object of specifying an improved possibility, particularly advantageous in terms of fluid mechanics and / or which can be implemented with little effort, for cooling a stator having a hairpin winding.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Stator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Hairpinwicklung mehrere Paare von durch ein Kühlfluid durchströmbaren Formleitern, die sich durch zwei unterschiedliche Statornuten erstrecken, umfasst, wobei die Formleiter eines jeweiliges Paares an einer Stirnseite des Stators durch eine an den Formleitern befestigte Verbindungsvorrichtung, die nicht durch das Kühlfluid durchströmbar ist, elektrisch leitfähig verbunden sind.This object is achieved according to the invention in a stator of the type mentioned at the outset in that the hairpin winding comprises several pairs of shaped conductors through which a cooling fluid can flow and which extend through two different stator slots, the shaped conductors of a respective pair being connected to one end face of the stator by an The connecting device attached to the shaped conductors, through which the cooling fluid cannot flow, are connected in an electrically conductive manner.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, eine hinsichtlich des elektrischen Stromflusses U-förmigen Struktur durch das Paar von Formleitern zu realisieren, indem es durch eine Verbindungsvorrichtung elektrisch leitfähig verbunden wird. Das Kühlfluid kann so durch einen jeweiligen Formleiter fließen und ist an dem jeweiligen Formleiter des Paares einfach in diesen einleitbar oder aus diesem ausleitbar, ohne eine Biegung durchfließen zu müssen. Mit anderen Worten wird der elektrische Stromfluss in dem durch die Verbindungsvorrichtung realisierten Bereich des Paares vom Kühlfluidstrom getrennt.The invention is based on the idea of realizing a U-shaped structure with regard to the flow of electrical current through the pair of shaped conductors by being connected in an electrically conductive manner by a connecting device. The cooling fluid can thus flow through a respective shaped conductor and can easily be introduced into or out of the respective shaped conductor of the pair without having to flow through a bend. In other words, the electrical current flow is separated from the cooling fluid flow in the region of the pair realized by the connecting device.
Dadurch kann vorteilhafterweise auf aufwendig gebogene Formleiter, die durch die Biegung einen verengten Kühlkanal aufweisen, verzichtet werden. Ebenso bedarf es keiner aufwändigen hochpräzisen Bohrungen, um das Kühlfluid an einer Stirnseite auszuleiten. Die Hairpinwicklung des erfindungsgemäßen Stators lässt sich somit aufwandsarm und fluidmechanisch günstig ausbilden.As a result, it is advantageously possible to dispense with complexly curved shaped conductors which have a narrowed cooling channel due to the bend. Likewise, there is no need for complex, high-precision bores in order to discharge the cooling fluid on one end face. The hairpin winding of the stator according to the invention can thus be designed with little effort and in a fluid-mechanical manner.
Eine Hairpinwicklung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Wicklung die aus im Wesentlichen starren Formleitern gebildet sind. Es ist auch die Bezeichnung „Haarnadelwicklung“ für Hairpinwicklung bekannt, so dass sich der Begriff „Hairpin“ - auch in Wortkombinationen - durch „Haarnadel“ ersetzen lässt.A hairpin winding in the context of the present invention is a winding that is formed from essentially rigid shaped conductors. The term “hairpin winding” is also known for hairpin winding, so that the term “hairpin” - also in word combinations - can be replaced by “hairpin”.
Bevorzugt sind die Formleiter jeweils aus einem Rohr gebildet. Das Rohr kann beispielsweise einen kreisrunden, ovalen oder polygonförmigen, insbesondere rechteckigen, Querschnitt aufweisen.The shaped conductors are preferably each formed from a tube. The tube can, for example, have a circular, oval or polygonal, in particular rectangular, cross section.
Besonders bevorzugt sind die Formleiter über ihre gesamte Erstreckung gerade ausgebildet. Dadurch können die Formleiter ohne Biegen hergestellt werden und weisen gleichsam einen im Wesentlichen konstanten Innenquerschnitt auf.The shaped conductors are particularly preferably designed to be straight over their entire extent. As a result, the shaped conductors can be produced without bending and, as it were, have an essentially constant internal cross section.
Es wird bei dem erfindungsgemäßen Stator bevorzugt, wenn die Verbindungsvorrichtung am Äußeren eines jeweiligen der Formleiter befestigt ist. So lässt sich eine aus den Formleiter und der Verbindungsvorrichtung gebildete Anordnung einfach fertigen. Alternativ oder zusätzlich ist die Verbindungsvorrichtung aus einem streifenförmigen Leiter gebildet. Ein solcher Leiter lässt sich vorteilhafterweise aufwandsarm derart biegen, dass ein gewünschtes Wicklungsschema realisierbar ist. Typischerweise ist die Verbindungsvorrichtung einstückig ausgebildet. Gemäß einer bevorzugten fertigungstechnischen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verbindungsvorrichtung stoffschlüssig mit den Formleitern verbunden ist, beispielsweise durch Verschweißen.In the case of the stator according to the invention, it is preferred if the connecting device is attached to the exterior of a respective one of the shaped conductors. In this way, an arrangement formed from the shaped conductor and the connecting device can be produced in a simple manner. Alternatively or additionally, the connecting device is formed from a strip-shaped conductor. Such a conductor can advantageously be bent with little effort in such a way that a desired winding pattern can be implemented. The connecting device is typically formed in one piece. According to a preferred production-related embodiment, it is provided that the connecting device is materially connected to the shaped conductors, for example by welding.
Bei dem erfindungsgemäßen Stator kann ferner vorgesehen sein, einer der Formleiter eines ersten der Paare mit einem der Formleiter eines zweiten der Paare durch eine zweite Verbindungsvorrichtung elektrisch leitend verbunden ist, die an den Formleitern elektrisch leitend befestigt ist.In the stator according to the invention it can also be provided that one of the shaped conductors of a first of the pairs is electrically conductively connected to one of the shaped conductors of a second of the pairs by a second connecting device which is attached to the shaped conductors in an electrically conductive manner.
Gemäß einer ersten Weiterbildungsalternative ist dabei vorgesehen, dass die zweite Verbindungsvorrichtung ein erstes Verbindungselement, das elektrisch leitend am Formleiter des ersten Paares befestigt, und ein zweites Verbindungselement, das elektrisch leitend am Formleiter des zweiten Paares befestigt ist, umfasst, wobei das erste und das zweite Verbindungselement elektrisch leitfähig aneinander befestigt sind. Das erste und das zweite Verbindungselement können mithin nach dem Einbringen der durch die erste Verbindungsvorrichtung verbunden Formleiter an den Formleitern und miteinander elektrisch leitfähig befestigt werden.According to a first alternative development, it is provided that the second connecting device comprises a first connecting element that is electrically conductive attached to the molded conductor of the first pair, and a second connecting element that is electrically conductive attached to the molded conductor of the second pair, the first and the second Connecting element are attached to one another in an electrically conductive manner. The first and the second connecting element can therefore be fastened to the shaped conductors and to one another in an electrically conductive manner after the shaped conductors connected by the first connecting device have been introduced.
Analog zur ersten Verbindungsvorrichtung kann beim ersten Verbindungselement und/oder beim zweiten Verbindungselement der zweiten Verbindungsvorrichtung vorgesehen sein, dass das erste Verbindungselement und/oder das zweite Verbindungselement nicht durch das Kühlfluid durchströmbar ist und/oder aus einem streifenförmigen Leiter gebildet ist und/oder einstückig ausgebildet ist und/oder stoffschlüssig, vorzugsweise durch Verschweißen, mit den Formleitern verbunden ist.Analogous to the first connection device, it can be provided for the first connection element and / or the second connection element of the second connection device that the first connection element and / or the second connection element cannot be flowed through by the cooling fluid and / or is formed from a strip-shaped conductor and / or is made in one piece is and / or cohesively, preferably by welding, is connected to the form conductors.
Gemäß einer zweiten Weiterbildungsalternative ist die zweite Verbindungsvorrichtung einstückig ausgebildet. Auch dabei kann vorgesehen sein, dass die zweite Verbindungsvorrichtung nicht durch das Kühlfluid durchströmbar ist und/oder aus einem streifenförmigen Leiter gebildet ist und/oder stoffschlüssig, vorzugsweise durch Verschweißen, mit den Formleitern verbunden ist.According to a second alternative development, the second connecting device is designed in one piece. Here, too, it can be provided that the second connection device cannot be flowed through by the cooling fluid and / or is formed from a strip-shaped conductor and / or is connected to the shaped conductors in a materially bonded manner, preferably by welding.
Allgemein wird es bevorzugt, wenn die zweite Verbindungsvorrichtung elektrisch leitend am Äußeren des Formleiters des ersten Paares und am Formleiter des zweiten Paares befestigt ist.In general, it is preferred if the second connecting device is attached in an electrically conductive manner to the exterior of the molded conductor of the first pair and to the molded conductor of the second pair.
Typischerweise sind die ersten Verbindungsvorrichtungen an einer ersten Stirnseite des Stators angeordnet und die zweiten Verbindungsvorrichtungen an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Stators angeordnet.Typically, the first connection devices are arranged on a first end face of the stator and the second connection devices are arranged on a second end face of the stator opposite the first end face.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines einen Statorkerns mit Statornuten, die in einer Umfangsrichtung bezüglich einer Mittelachse des Statorkerns verteilt angeordnet sind; Bereitstellen mehrerer Paare von durch ein Kühlfluid durchströmbaren Formleitern; und Einführen der Paare von Formleitern in die Statornuten, wobei die Formleiter eines jeweilen Paares in unterschiedliche Statornuten eingeführt werden; wobei die Paare mit einer nicht durch das Kühlfluid durchströmbaren Verbindungsvorrichtung, welche die Formleiter elektrisch leitfähig verbindet, bereitgestellt werden oder wobei die Paare nach dem Einführen elektrisch leitfähig durch eine nicht durch das Kühlfluid durchströmbaren Verbindungsvorrichtung verbunden werden.The object on which the invention is based is further achieved by a method for producing a stator for an electrical machine, comprising the following steps: providing a stator core with stator slots which are arranged distributed in a circumferential direction with respect to a central axis of the stator core; Providing a plurality of pairs of shaped conductors through which a cooling fluid can flow; and inserting the pairs of shaped conductors into the stator slots, the shaped conductors of a respective pair being inserted into different stator slots; wherein the pairs are provided with a connection device through which the cooling fluid cannot flow and which connects the shaped conductors in an electrically conductive manner, or wherein the pairs are connected in an electrically conductive manner after insertion by a connection device through which the cooling fluid cannot flow.
Die mittels der ersten Verbindungsvorrichtung verbundenen Formleiter werden mithin in einem bereits verbundenen Zustand bereitgestellt, um, typischerweise von einer Stirnseite des Statorkerns aus, in die Statornuten eingeführt zu werden. An der anderen Stirnseite ragen dann typischerweise offene freie Enden der Formleiter hervor.The shaped conductors connected by means of the first connecting device are therefore provided in an already connected state in order to be introduced into the stator slots, typically from an end face of the stator core. At the other end face, open free ends of the shaped conductors then typically protrude.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren umfasst bevorzugt ferner folgenden Schritt: elektrisch leitfähiges Verbinden eines der Formleiter eines ersten der Paare mit einem der Formleiter eines zweiten der Paare durch eine zweite Verbindungsvorrichtung. Dadurch werden die Formleiter unterschiedlicher Paare zur Realisierung eines vorgegebenen Wicklungsschemas elektrisch leitend verbunden. Der Schritt wird typischerweise mehrfach für eine Vielzahl erster und zweiter Paare wiederholt.The production method according to the invention preferably further comprises the following step: electrically conductive connection of one of the shaped conductors of a first of the pairs to one of the shaped conductors of a second of the pairs by a second connecting device. As a result, the shaped conductors of different pairs are connected in an electrically conductive manner in order to implement a predetermined winding scheme. The step is typically repeated multiple times for a plurality of first and second pairs.
Dabei ist gemäß einer ersten vorzugsweisen Alternative vorgesehen, dass das elektrisch leitfähige Verbinden mittels der zweiten Verbindungsvorrichtung folgende Schritte umfasst: elektrisch leitfähiges Befestigen eines ersten Verbindungselements der zweiten Verbindungsvorrichtung an dem Formleiter des ersten Paares; elektrisch leitfähiges Befestigen eines zweiten Verbindungselements der zweiten Verbindungsvorrichtung an dem Formleiter des zweiten Paares; und elektrisch leitfähiges Verbinden des ersten und zweiten Verbindungselements miteinander.According to a first preferred alternative, it is provided that the electrically conductive connection by means of the second connection device comprises the following steps: electrically conductive fastening of a first connection element of the second connection device to the shaped conductor of the first pair; electrically conductive fastening of a second connecting element of the second connecting device to the shaped conductor of the second pair; and electrically conductive connection of the first and second connecting element to each other.
Vorzugweise werden das erste und das zweite Verbindungselement durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, vorzugsweise durch Schweißen, miteinander verbunden.The first and the second connecting element are preferably connected to one another by a materially bonded joining process, preferably by welding.
Gemäß einer zweiten vorzugsweisen Alternative wird eine einstückige zweite Verbindungsvorrichtung verwendet.According to a second preferred alternative, a one-piece second connecting device is used.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die zweite Verbindungsvorrichtung mit dem Formleiter des ersten Paares und/oder mit dem Formleiter des zweiten Paares durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, insbesondere durch Schweißen, verbunden wird.Alternatively or additionally, it can be provided that the second connecting device is connected to the shaped conductor of the first pair and / or to the shaped conductor of the second pair by a material-locking joining process, in particular by welding.
Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Stator lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren übertragen, sodass auch mit diesem die zuvor genannten Vorteile erzielt werden können. Insbesondere können die zum Stator beschriebenen Formleiter, Verbindungsvorrichtungen und Verbindungselemente im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens verwendet werden.All statements relating to the stator according to the invention can be applied analogously to the manufacturing method according to the invention, so that the aforementioned advantages can also be achieved with this. In particular, the shaped conductors, connecting devices and connecting elements described for the stator can be used in the context of the manufacturing method according to the invention.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch eine elektrische Maschine gelöst, umfassend einen erfindungsgemäßen Stator oder einen durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlichen Stator; und eine Kühlvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein Kühlfluid durch die Formleiter zu fördern.The object on which the invention is based is also achieved by an electrical machine, comprising a stator according to the invention or a stator obtainable by the method according to the invention; and a cooling device which is configured to convey a cooling fluid through the shaped conductors.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird schließlich auch gelöst durch ein Fahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine dazu eingerichtet ist, das Fahrzeug anzutreiben.The object on which the invention is based is finally also achieved by a vehicle comprising an electrical machine according to the invention, the electrical machine being set up to drive the vehicle.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
-
1 eine stirnseitige Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine; -
2 eine perspektivische Ansicht eines Paares der Formleiter mit Verbindungsvorrichtungen gemäß dem Ausführungsbeispiel; -
3 eine Draufsicht auf das Paar von Formleitern mit den Verbindungsvorrichtungen gemäß dem Ausführungsbeispiel; und -
4 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
-
1 an end view of an embodiment of the electrical machine according to the invention; -
2 a perspective view of a pair of shaped conductors with connecting devices according to the embodiment; -
3 a plan view of the pair of shaped conductors with the connecting devices according to the embodiment; and -
4th a schematic diagram of an embodiment of the vehicle according to the invention with an embodiment of the electrical machine according to the invention.
Der Stator
Der Stator
Jeder Formleiter
Die Formleiter
An der zweiten Stirnseite des Stators
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die zweiten Verbindungsvorrichtungen
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zur Herstellung eines Stators
- In einem ersten Schritt des Verfahrens wird
ein Statorkern 2 mit Statornuten 3 , die in einer Umfangsrichtung bezüglich einer Mittelachse4 desStatorkerns 2 verteilt angeordnet sind, bereitgestellt. In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden mehrere Paare7 von durch einKühlfluid durchströmbaren Formleitern 6a ,6b , die durch eine nicht durch das Kühlfluid durchströmbare erste Verbindungsvorrichtung8 elektrisch leitfähig verbunden sind, bereitgestellt.Die verbundenen Paare 7 von Formleitern 6a ,6b werden in einem folgenden Schritt inunterschiedliche Statornuten 3 eingeführt.
- The first step in the process is to create a
stator core 2 withstator slots 3 in a circumferential direction with respect to a central axis4th of thestator core 2 are arranged distributed, provided. In a further step of the process, several pairs are made7th of shaped conductors through which a cooling fluid can flow6a ,6b through a first connection device through which the cooling fluid cannot flow8th are electrically conductively connected, provided. The connected couples7th ofform managers 6a ,6b are in a following step indifferent stator slots 3 introduced.
In einem nächsten Schritt des Verfahrens werden einer der Formleiter
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens umfasst dieser Schritt folgende Unterschritte: In einem ersten Unterschritt wird ein erstes Verbindungselement
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahren wird beim Durchführen des Schritts des Verbindens des Formleiters
Der vorgenannte Schritt wird dann für weitere Paare mit weiteren zweiten Verbindungsvorrichtungen
Das elektrisch leitfähige Befestigen der Verbindungsvorrichtungen
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, die einem der vorgenannten Ausführungsbeispielen des Herstellungsverfahrens entsprechen, wird nur das Paar
Die elektrische Maschine
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