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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug.
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US 2010/0270094 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Statorkörper mit mehreren Nuten. In den Nuten sind Leiter angeordnet, die paarweise mit Isolationspapier umwickelt sind, wobei sich das Isolationspapier zwischen den beiden Leitern überlappt. Der Isolationsaufwand und der Materialbedarf an Isolationspapier sind hoch.
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US 2019/0027989 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Statorkörper mit mehreren Nuten. In den Nuten sind mehrere Leiter angeordnet, die zu mehreren von einem Isolationspapier umgeben sind, wobei sich das Isolationspapier zwischen zwei benachbarten Leitern überlappt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen demgegenüber verbesserten Stator bereitzustellen. Es ist wünschenswert, Herstellkosten zu reduzieren und Verluste in der Wicklungsanordnung gering zu halten. Es sollte zu jeder Zeit eine vollständige Isolation gewährleistet sein.
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Diese Aufgabe wird durch einen Stator nach Anspruch 1 gelöst.
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Der Stator weist einen Statorkörper und eine Wicklungsanordnung (Statorwicklung) auf. Der Statorkörper weist mehrere Nuten auf. Die Wicklungsanordnung weist mehrere Leiterpakete auf, die jeweils separat in einer der Nuten angeordnet sind. Jedes Leiterpaket weist mehrere übereinanderliegende Leiter auf und ist durch ein Isolationspapier (Nutpapier) gegenüber dem Statorkörper (insgesamt) elektrisch isoliert. Das Isolationspapier ist in einem (ersten) Überlappungsbereich („Überschlagsbereich“) überlappend angeordnet (Isolationspapier überlappt sich). Der Überlappungsbereich ist zwischen den zwei benachbarten Leitern von einem der Leiterpakete angeordnet, die in diesem Leiterpaket die höchste Potentialdifferenz (Spannung) relativ zueinander aufweisen.
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Da die maximale Potenzialdifferenz eine Auslegungsgrundlage für die Stärke der Primärisolation der Leiter ist, kann durch das beschriebene Vorgehen die Stärke der Primärisolation bei vergleichbaren elektrischen Eigenschaften des Isolationssystems reduziert werden. Dies führt zu geringen Herstellkosten des Leiters. Zudem steigt durch Reduktion der Primärisolation der Kupferanteil in der Nut, was zu geringeren Verlusten im Leiter, oder geringeren Verlusten im Zahn bei verringerten Nutabmessungen und gleichbleibender Stromdichte führt. Durch die Überlappung des Isolationspapiers („Nutpapierüberschlag“) wird ein Auffächern verhindert und eine definierte Kriechstrecke gewährleistet, und zwar genau zwischen den benachbarten Leitern des Leiterpakets, die eine hohe bzw. die höchste Potentialdifferenz (Spannung) zueinander aufweisen.
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Der Statorkörper ist insbesondere ringförmig ausgebildet, bspw. kreisringförmig. Die Nuten sind insbesondere an der radialen Innenseite des Statorkörpers ausgebildet. Die Nuten erstrecken sich parallel zur Mittellängsachse des ringförmigen Statorkörpers. Die Nuten können jeweils eine Öffnung aufweisen, die nach radial innen, insbesondere zur Mittellängsachse des ringförmigen Statorkörpers hin, orientiert ist.
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In den Nuten ist insbesondere jeweils ein Leiterpaket angeordnet (ein Leiterpaket pro Nut). Es ist denkbar, dass ein (einziges) Isolationspapier das Leiterpaket insgesamt umgibt (ein Isolationspapier umhüllt das Leiterpaket). Die Leiter können jeweils einen bspw. trapezförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Weitere Querschnittsformen, bspw. runde oder elliptische Querschnitte, sind ebenfalls denkbar. Die Leiter der Nut bilden eine Spule. Die Leiter können so verschaltet werden, dass jeder Leiter jede Lage und/oder Position am Umfang eines Summenpols abbildet (Unsymmetrien und ggf. Kreisströme können vermieden werden). Parallele Spulengruppen erfahren die gleiche Durchflutung. Zwischen Leitern, insbesondere zwischen benachbarten Leitern, bestehen unterschiedliche Potentiale.
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Die elektrische Maschine, für die der Rotor eingerichtet ist, kann bspw. als rotierende elektrische Maschine mit drei oder mehr Phasen ausgeführt sein und bspw. über einen schnellschaltenden Umrichter (bspw. SiC- oder GaN) mit hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten (du/dt) und/oder hohen Taktfrequenzen gespeist werden. Der Stator ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Rotor drehend anzutreiben. Der Rotor kann innerhalb des Stators angeordnet und drehbar gelagert sein, bspw. an einem Gehäuse oder einer Tragestruktur der elektrischen Maschine.
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Vorzugsweise kann der Überlappungsbereich des Isolationspapiers von einem der Leiterpakete, das in einer der Nuten (erste Nut) angeordnet ist, zwischen anderen Leitern angeordnet sein als der Überlappungsbereich des Isolationspapiers von einem der Leiterpakete, das in einer anderen Nut (zweite Nut) angeordnet ist (Lage der Überlappungsbereiche unterscheidet sich). Dies begünstigt eine Optimierung einer Primärisolation. Somit ergibt sich eine unterschiedliche Anordnung des Überlappungsbereichs in den Leiterpaketen in verschiedenen Nuten (bspw. der ersten und der zweiten Nut), da sich die Lage der Leiter, zwischen denen sich die maximale Potentialdifferenz befindet, d.h. die Lage der maximalen Potenzialdifferenz in der jeweiligen Nut, von Nut zu Nut unterscheidet.
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Vorzugsweise kann das Isolationspapier in dem Leiterpaket in einem weiteren Überlappungsbereich („Überschlagsbereich“) überlappend angeordnet sein (Isolationspapier überlappt sich in zwei Überlappungsbereichen). Somit kann in einem Leiterpaket, in dem jeweils zwei benachbarte Leiter eine vergleichsweise hohe Potenzialdifferenz aufweisen, zwischen diesen Leitern jeweils ein Überlappungsbereich angeordnet sein. Dies begünstigt eine Optimierung der Primärisolation.
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Vorzugsweise kann der weitere Überlappungsbereich zwischen (den) zwei benachbarten Leitern angeordnet sein, die die höchste Potentialdifferenz (Potenzialdifferenz gleich hoch wie zwischen den am ersten Überlappungsbereich angrenzenden Leitern) oder die zweithöchste Potenzialdifferenz zueinander aufweisen (Potenzialdifferenz geringer als zwischen den am ersten Überlappungsbereich angrenzenden Leitern). Auch dies begünstigt eine Optimierung der Primärisolation.
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Vorzugsweise kann zwischen weiteren zueinander benachbarten Leitern des Leiterpakets, insbesondere zwischen den benachbarten Leitern, zwischen denen nur eine vergleichsweise geringe Potenzialdifferenz besteht, kein Isolationspapier vorgesehen oder Isolationspapier nur einlagig (keine Überlappung) angeordnet sein. Dies erlaubt eine Einsparung von Isolationsmaterial. Zudem kann dies die durch den Platzbedarf des Isolationsmaterials indirekt bedingten Verluste (ggf. verringerter Leiterquerschnitt bzw. etwas höhere Stromdichte) im Leiterpaket reduzieren.
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Vorzugsweise kann der (erste) Überlappungsbereich und der weitere Überlappungsbereich durch dasselbe (d.h. ein und dasselbe) Isolationspapier ausgebildet sein (Isolationspapier einteilig). Dies kann die Herstellung eines Leiterpakets begünstigen, da lediglich ein Isolationspapier pro Leiterpaket gehandhabt werden muss.
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Vorzugsweise können ein, zwei oder mehr Isolationspapiere in einer Nut angeordnet sein, die das Leiterpaket gegenüber dem Statorkörper elektrisch isolieren. Durch Verwendung von zwei oder mehr Isolationspapieren können die Faltungen bzw. Umlenkungen eines Isolationspapiers weniger komplex ausfallen.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Die elektrische Maschine ist insbesondere für ein Fahrzeug eingerichtet. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator wie voranstehend beschrieben.
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Hinsichtlich der hiermit erzielbaren Vorteile sei auf die diesbezüglichen Ausführungen zum Stator verwiesen. Zur weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine können die voranstehend im Zusammenhang mit dem Stator beschriebenen Maßnahmen dienen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
- 1 schematisch einen teilweise dargestellten Querschnitt durch einen Stator an einer ersten Nut;
- 2 schematisch einen teilweise dargestellten Querschnitt durch den Stator an einer zweiten Nut;
- 3 schematisch einen teilweise dargestellten Querschnitt durch den Stator an einer dritten Nut.
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In 1 ist schematisch ein teilweise dargestellter Querschnitt durch einen Stator 100 für eine elektrische Maschine dargestellt.
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Der Stator 100 weist einen Statorkörper 102 und eine (nur teilweise dargestellte) Wicklungsanordnung 104 auf. Der Statorkörper 102 weist mehrere Nuten 106 auf (in 1 ist nur eine Nut 106 gezeigt). Die Wicklungsanordnung 104 weist mehrere Leiterpakete 108 auf, die jeweils separat in einer der Nuten 106 angeordnet sind. Jedes Leiterpaket 108 weist mehrere übereinanderliegende Leiter 110, 112, 114, 116 auf und ist durch ein Isolationspapier 118 (Nutpapier 118) gegenüber dem Statorkörper 102 elektrisch isoliert.
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Der Statorkörper 102 kann wie im Beispiel ringförmig ausgebildet sein (nur ansatzweise dargestellt). Die Nuten 106 sind insbesondere an der radialen Innenseite des Statorkörpers 102 ausgebildet. Die Nuten 106 können sich bspw. parallel zur Mittellängsachse des Statorkörpers 102 erstrecken. Die Nuten 106 können jeweils eine Öffnung 122 aufweisen, die nach radial innen orientiert ist.
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In den Nuten 106 ist insbesondere jeweils ein Leiterpaket 108 angeordnet (ein Leiterpaket 108 pro Nut 106). Es ist denkbar, dass das Isolationspapier 118 das Leiterpaket 108 insgesamt umgibt. Die Leiter 110, 112, 114, 116 können wie im Beispiel einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Die Leiter 110, 112, 114, 116 der Nut 106 können eine Spule bilden (andere Spulenbildungen, bspw. einer Ausgestaltung einer Spule durch zwei Leiter oder einer Verschaltung mit weiteren Leitern, ist ebenfalls denkbar). Zwischen benachbarten Leitern 110, 112, 114, 116 bestehen unterschiedliche Potentialdifferenzen (vgl. 1).
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Das Isolationspapier 118 ist in einem (ersten) Überlappungsbereich 120 (Überschlagsbereich 120) überlappend angeordnet. Der Überlappungsbereich 120 ist zwischen (den) zwei benachbarten Leitern von einem der Leiterpakete 108 angeordnet, die in diesem Leiterpaket 108 die höchste Potentialdifferenz relativ zueinander aufweisen. Im Beispiel in 1 ist der Überlappungsbereich 120 zwischen den Leitern 114, 116 angeordnet, da zwischen diesen die höchste Potenzialdifferenz (ΔU ≈ 400 V (Volt)) besteht.
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Zwischen den weiteren Leitern 110 und 112 bzw. 112 und 114 ist die Potenzialdifferenz deutlich geringer (ΔU ≈ 150 V bzw. ΔU ≈ 100 V). Zwischen diesen Leitern 110, 112 und 114 kann ein Isolationspapier entfallen.
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2 zeigt eine weitere bzw. andere Nut 106' des Stators 100 mit einem in der Nut 106' angeordneten Leiterpaket 108'. Das Leiterpaket 108' entspricht weitgehend dem voranstehend beschriebenen Leiterpaket 108. Allerdings ist der Überlappungsbereich 120' des Isolationspapiers 118' an anderer Stelle angeordnet, nämlich zwischen den Leitern 112 und 114. Somit ist der Überlappungsbereich 120 des Isolationspapiers 118 des Leiterpakets 108, das in der Nut 106 angeordnet ist (vgl. 1), zwischen anderen Leitern angeordnet als der Überlappungsbereich 120' des Isolationspapiers 118' des Leiterpakets 108', das in der Nut 106' angeordnet ist (vgl. 2).
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3 zeigt eine weitere bzw. andere Nut 106" des Stators 100 mit einem in der Nut 106" angeordneten Leiterpaket 108". Das Leiterpaket 108" entspricht weitgehend dem voranstehend beschriebenen Leiterpaket 108. Allerdings ist das Isolationspapier 118" des Leiterpakets 108" nicht nur im Überlappungsbereich 120 (zwischen den Leitern 114 und 116) überlappend angeordnet, sondern auch in einem weiteren Überlappungsbereich 126 (zwischen den Leitern 110 und 112).
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Der weitere Überlappungsbereich 126 kann wie im Beispiel zwischen (den) zwei benachbarten Leitern 110, 112 angeordnet sein, die die höchste Potentialdifferenz (Potenzialdifferenz gleich hoch wie zwischen den am ersten Überlappungsbereich angrenzenden Leitern) oder die zweithöchste Potenzialdifferenz zueinander aufweisen (Potenzialdifferenz geringer als zwischen den am ersten Überlappungsbereich angrenzenden Leitern). IM Beispiel ist die Potenzialdifferenz zwischen den Leitern 110 und 112 und zwischen den Leitern 114 und 116 gleich groß (ΔU ≈ 400 V (Volt)).
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Wie bereits angedeutet, kann zwischen weiteren zueinander benachbarten Leitern des Leiterpakets 108, insbesondere zwischen den benachbarten Leitern, zwischen denen nur eine vergleichsweise geringe Potenzialdifferenz besteht (wie hier in 3 zwischen den Leitern 112 und 114), das Isolationspapier wie im Beispiel entfallen oder Isolationspapier nur einlagig angeordnet sein (nicht dargestellt).
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Es können wie im Beispiel zwei oder mehr Isolationspapiere 118, 128 in einer Nut 106 angeordnet sein, die das Leiterpaket 108 gegenüber dem Statorkörper 102 elektrisch isolieren (vgl. 3).
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform können der (erste) Überlappungsbereich 120 und der weitere Überlappungsbereich 126 durch ein und dasselbe Isolationspapier 118 ausgebildet sein (Isolationspapier 118 einteilig).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0270094 A1 [0002]
- US 2019/0027989 A1 [0003]
