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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator.
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Statoren für eine elektrische Maschine sind in zahlreichen Variationen bekannt. Ein solcher Stator für eine elektrische Maschine umfasst in der Regel ein hohlzylindrisches Blechpaket, welches eine Mehrzahl von axial ausgerichteten Statornuten umfasst. In den einzelnen Statornuten ist jeweils eine Mehrzahl von Wicklungsleitern radial mehrlagig übereinander angeordnet, welche eine Gesamtwicklung des Stators bilden. Die einzelnen Wicklungsleiter umfassen jeweils einen von einer Isolationsschicht umgebenen Leiterkern. Hierbei können die Statorwicklungen unterschiedlich ausgeführt werden. Eine Variante ist die Wicklung mit vorgeformten Wicklungsleitern, was auch als Flachdrahtwicklung, Hairpin-Wicklung oder Formdrahtwicklung bezeichnet wird. Bei einer solchen Wicklung werden die einzelnen Wicklungsleiter jeweils vorgeformt und zusammen als sogenannter Wicklungskorb in das Statorblechpaket eingeschoben. Auf der Rückseite werden diese Elemente gebogen und entsprechend einer Verschaltung miteinander verschweißt. Alle Wicklungsleiter werden hierbei mit der gleichen Isolierung, das bedeutet mit gleichem Material und gleicher Schichtdicke ausgeführt.
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Drehzahlvariable elektrische Maschinen bzw. Motoren werden üblicherweise mit einem Wechselrichter betrieben, welcher mittels geschalteten Spannungen und einem definierten Pulsmuster, sowohl Frequenz (bzw. Drehzahl) als auch Amplitude einer Grundschwingung der Spannung an der elektrischen Maschine bzw. am Motor einstellt. Geschaltete Spannungen resultieren jedoch in Überspannungsspitzen, welche sich durch die (elektromagnetischen) Welleneigenschaften eines Stators an bestimmten Stellen - meistens an einer ersten Windung - konzentrieren. Daher sind erste Abschnitte der Gesamtwicklung einer geringeren zu erwartenden Spannungsbeanspruchung ausgesetzt als zweite Abschnitte der Gesamtwicklung. Deshalb kann ein Isoliersystem bzw. eine Isolationsstärke eines jeden einzelnen Wicklungsleiters aufgedickt bzw. vergrößert werden, um den Überspannungsspitzen entgegenzuwirken. Dies führt jedoch dazu, dass der Kupferfüllfaktor in jeder Statornut sinkt und die ohmsche Verlustleistung steigt. Durch die steigende Verlustleistung sinkt die Effizienz der elektrischen Maschine bzw. des elektrischen Motors signifikant.
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Aus der
DE 10 2004 016 655 A1 ist eine Statorbaugruppe für eine dynamoelektrische Maschine bekannt, welche einen zylinderförmigen Statorkern mit einer Vielzahl von Schlitzen im Statorkern und einer Vielzahl von Spulenträgereinsätzen umfasst, wobei jeder Spulenträger-Einsatz fest in einem entsprechenden Schlitz gehalten ist. Jeder Spulenträger-Einsatz hat ein Schenkelpaar die von einem Basiselement ausgehen. Die Spulenträgereinsätze sind aus einem magnetisch permeablen Material hergestellt. Eine Statorwicklung umfasst im Wesentlichen gerade Drahtsegmente, welche von den Spulenträgereinsätzen aufgenommen werden, wobei die im Wesentlichen geraden Segmente der Statorwicklung und die Spulenträgereinsätze elektrisch voneinander isoliert sind. Mindestens einer der Schenkel ist über einen Abschnitt der im Wesentlichen geraden Drahtsegmente in den Schlitzen im Statorkern gebogen, wodurch eine Öffnung zwischen den Schenkeln verkleinert wird.
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Aus der
DE 10 2016 111 482 A1 ist ein Verfahren zum Einbringen einer Wicklung in Nuten eines Bauteils, insbesondere eines Stators oder Rotors, für einen Elektromotor bekannt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Aufbringen zumindest eines Isolatorrings auf eine Stirnfläche des Bauelements, wobei der Isolatorring so ausgebildet ist und aufgebracht wird, dass er jeweilige Stege zwischen den Nuten des Bauelements stirnseitig überdeckt, eine Anzahl von Vorsprüngen aufweist, welche über die Stege radial nach innen oder außen überstehen, und die Nuten stirnseitig zugänglich lässt. Einbringen zumindest der Wicklung in die Nuten, und zumindest teilweises Entfernen der Vorsprünge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Stator für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator bereitzustellen, welcher bei der Ansteuerung einer Gesamtwicklung des Stators auftretende Überspannungen reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch einen Stator für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Um einen Stator für eine elektrische Maschine bereitzustellen, welcher bei der Ansteuerung einer Gesamtwicklung des Stators auftretende Überspannungen reduziert, sind einzelne Wicklungsleiter oder zumindest Abschnitte solcher Wicklungsleiter, welche die ersten Abschnitte der Gesamtwicklung ausbilden, von einer Isolationsschicht aus einem ersten Isolationsmaterial umgeben, und einzelne Wicklungsleiter oder zumindest Abschnitte solcher Wicklungsleiter, welche die zweiten Abschnitte der Gesamtwicklung ausbilden, sind von einer Isolationsschicht aus einem zweiten Isolationsmaterial umgeben, wobei das erste Isolationsmaterial eine geringere Permittivität als das zweite Isolationsmaterial aufweist.
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Zudem wird eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem solchen Stator vorgeschlagen.
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Unter einem Stator für eine elektrische Maschine wird nachfolgend eine Anordnung mit einem hohlzylindrisches Blechpaket und einer Gesamtwicklung verstanden. Hierbei umfasst das Blechpaket eine Mehrzahl von axial ausgerichteten Statornuten, wobei in den einzelnen Statornuten jeweils eine Mehrzahl von die Gesamtwicklung bildenden Wicklungsleitern radial mehrlagig übereinander angeordnet ist. Die einzelnen Wicklungsleiter umfassen jeweils einen von einer Isolationsschicht umgebenen Leiterkern. Zudem sind erste Abschnitte der Gesamtwicklung einer geringeren zu erwartenden Spannungsbeanspruchung ausgesetzt als zweite Abschnitte der Gesamtwicklung. Unter der Gesamtwicklung des Stators wird nachfolgend eine Statorwicklung verstanden, welche aus einzelnen vorgeformten Wicklungsleiterabschnitten zusammengesetzt ist. Herbei werden die zusammengesetzten Wicklungsleiterabschnitte in das Statorblechpaket eingeschoben und dann werden die einzelnen Wicklungsleiterabschnitte auf der Rückseite gebogen und entsprechend einer gewünschten Verschaltung miteinander verschweißt.
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Die lokalen Überspannungen werden maßgeblich durch lokale Kapazitäten der einzelnen Wicklungsleiter beeinflusst, wobei sich die elektrische Kapazität (C) nach Gleichung (1) berechnet.
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Hierbei kann bei gleichbleibender Gesamtwicklung mit einer konstanten Fläche (A) die Kapazität (C) über Dicke (d) und Materialeigenschaft bzw. Permittivität (ε = ε0 * εR) der Isolationsschicht beeinflusst werden. Hierbei entspricht ε0 einer Naturkonstanten und εR entspricht der materialabhängigen relativen Permittivität (Dielektrizitätszahl). So weist beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK) eine relative Permittivität εR von 3,2 auf, und Polyphenylensulfid (PPS) weist eine relative Permittivität εR von 3,9 auf. Somit ermöglicht der variable Einsatz von unterschiedlichen Isolationsmaterialien in vorteilhafter Weise eine Steuerung des elektrischen Felds innerhalb der Gesamtwicklung des Stators und die Reduktion von Überspannungen. Dadurch können lokale Probleme auch lokal abgefangen werden. Die Schichtdicke der Isolationsschicht der verbleibenden Wicklungsleiterabschnitte muss nicht auf das lokale Phänomen hin angepasst werden. Hierdurch können im Vergleich zum Stand der Technik bessere Kupferfüllfaktoren und damit bessere Wirkungsgrade erreicht werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Stators können beide Isolationsmaterialen der Isolationsschicht koronaresistente thermoplastische Kunststoffmaterialien sein. So kann beispielsweise als erstes Isolationsmaterial Polyetheretherketon (PEEK) eingesetzt werden. Als zweites Isolationsmaterial kann beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS) eingesetzt werden. Durch die Verwendung von Polyphenylensulfid (PPS) für die stark beanspruchten Wicklungsleiterabschnitte und Polyetheretherketon (PEEK) für die verbleibenden Wicklungsleiterabschnitte kann die Kapazität innerhalb der Gesamtwicklung lokal um über 20% angehoben und die Überspannung entsprechend reduziert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Stators kann die Dicke der Isolationsschicht in den zweiten Abschnitten der Gesamtwicklung gegenüber den ersten Abschnitten der Gesamtwicklung reduziert werden. Dadurch kann die lokale Erhöhung der Kapazität innerhalb der Gesamtwicklung verstärkt werden. So kann die Kapazität durch die Kombination beider Maßnahmen um über 34% vergrößert werden. Sollen die Außenmaße des Wicklungsleiters konstant gehalten werden, dann kann der dadurch neu gewonnene Querschnitt in den Kupferquerschnitt konstruiert und der Querschnitt des Leiterkerns in den zweiten Abschnitten der Gesamtwicklung gegenüber den ersten Abschnitten der Gesamtwicklung erhöht werden. So wird lokal nicht nur die Überspannungsspitze, sondern auch der ohmsche Widerstand der Wicklungsleiterabschnitts verringert.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Stators kann die Gesamtwicklung als Wicklungskorb aus einzelnen vorgeformten Wicklungsabschnitten zusammengesetzt werden. Zudem kann der Wicklungskorb in das Blechpaket eingeschoben werden.
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Die für den erfindungsgemäßen Stator beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stators für eine elektrische Maschine;
- 2 eine schematische Darstellung von mehreren zusammengesetzten Wicklungsleiterabschnitten einer Gesamtwicklung des erfindungsgemäßen Stators aus 1;
- 3 eine schematische Querschnittdarstellung eines Wicklungsleiters aus 2;
- 4 eine schematische Darstellung eines aus einer Mehrzahl von Wicklungsleiterabschnitten zusammengesetzten Wicklungskorbs; und
- 5 eine isometrische Detaildarstellung eines Blechpakets des erfindungsgemäßen Stators aus 1.
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Wie aus 1 bis 5 ersichtlich ist, weist das dargestellte Ausführungsbeispiel eines Stators 1 für eine elektrische Maschine ein hohlzylindrisches Blechpaket 3 auf, welches eine Mehrzahl von axial ausgerichteten Statornuten 3.1 umfasst. In den einzelnen Statornuten 3.1 ist jeweils eine Mehrzahl von eine Gesamtwicklung 5 bildenden Wicklungsleitern 10 radial mehrlagig übereinander angeordnet. Die einzelnen Wicklungsleiter 10 umfassen jeweils einen von einer Isolationsschicht 14 umgebenen Leiterkern 12. Zudem sind erste Abschnitte der Gesamtwicklung 5 einer geringeren zu erwartenden Spannungsbeanspruchung ausgesetzt als zweite Abschnitte der Gesamtwicklung 5.
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Erfindungsgemäß sind einzelne Wicklungsleiter 10 oder zumindest Abschnitte solcher Wicklungsleiter 10, welche die ersten Abschnitte der Gesamtwicklung 5 ausbilden, von einer Isolationsschicht 14 aus einem ersten Isolationsmaterial umgeben, und einzelne Wicklungsleiter 10 oder zumindest Abschnitte solcher Wicklungsleiter 10, welche die zweiten Abschnitte der Gesamtwicklung 5 ausbilden, sind von einer Isolationsschicht 14 aus einem zweiten Isolationsmaterial umgeben, wobei das erste Isolationsmaterial eine geringere Permittivität als das zweite Isolationsmaterial aufweist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Stators 1 sind beide Isolationsmaterialen der Isolationsschicht 14 koronaresistente thermoplastische Kunststoffmaterialien. So wird im dargestellten Ausführungsbeispiel als erstes Isolationsmaterial Polyetheretherketon (PEEK) mit einer relativen Permittivität εR von 3,2 und als zweites Isolationsmaterial Polyphenylensulfid (PPS) mit einer relativen Permittivität εR von 3,9 eingesetzt.
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Zudem ist im dargestellten Ausführungsbeispiel des Stators die Dicke der Isolationsschicht 14 in den zweiten Abschnitten der Gesamtwicklung 5 gegenüber den ersten Abschnitten der Gesamtwicklung 5 reduziert und der Querschnitt des Leiterkerns 12 in den zweiten Abschnitten der Gesamtwicklung 5 gegenüber den ersten Abschnitten der Gesamtwicklung 5 erhöht. Somit werden die Außenmaße der verschiedenen Abschnitte des Wicklungsleiters 10 über die Gesamtwicklung 5 konstant gehalten. Dadurch können nicht nur die Überspannungsspitzen, sondern auch der ohmsche Widerstand der Wicklungsleiterabschnitte lokal reduziert werden.
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Wie aus 1 und 4 weiter ersichtlich ist, ist die Gesamtwicklung 5 des Stators 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel als Wicklungskorb 5A aus einzelnen vorgeformten Wicklungsabschnitten zusammengesetzt, welcher in das in 5 dargestellte Blechpaket 3 eingeschoben wird. Nach dem Einschieben des Wicklungskorbs 5A werden die einzelnen Wicklungsleiterabschnitte auf der Rückseite gebogen und entsprechend einer gewünschten Verschaltung miteinander verschweißt.
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Der beschriebene erfindungsgemäße Stator 1 wird gemeinsam mit einem korrespondierenden nicht dargestellten Rotor in elektrischen Maschinen, insbesondere in Elektromotoren eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator für eine elektrische Maschine
- 3
- Blechpaket
- 3.1
- Statornut
- 5
- Gesamtwicklung
- 5A
- Wicklungskorb
- 10
- Wicklungsleiter
- 12
- Leiterkern
- 14
- Isolationsschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004016655 A1 [0004]
- DE 102016111482 A1 [0005]
