DE102020113905A1

DE102020113905A1 - Axial flow machine

Info

Publication number: DE102020113905A1
Application number: DE102020113905.5A
Authority: DE
Inventors: Holger Witt; Maximilian Bossecker
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (6) einer Axialflussmaschine sowie eine Axialflussmaschine mit einem entsprechenden Stator (6). Um das maximale Drehmoment bei gegebenem radialem Bauraum zu erhöhen, umfasst der Stator (6)• sich in Axialrichtung erstreckende Statorzähne (1),• um die Statorzähne (1) angeordnete Einzelzahnwicklungen (2), von denen mindestens zwei pro Phase der Axialflussmaschine in Serie geschaltet sind,• mindestens einen Anschluss (14) pro Phase für eine Zuleitung, der eine Einzelzahlwicklung (2) der zugehörigen Phase an einem radial außenliegenden Endabschnitt (3) der Einzelzahnwicklung (2) kontaktiert, wobei die mindestens zwei in Serie geschalteten Einzelzahnwicklungen (2) jeder Phase an einem radial innenliegenden Endabschnitt (4) der jeweiligen Einzelzahnwicklungen (2) elektrisch miteinander verbunden sind.The invention relates to a stator (6) of an axial flux machine and an axial flux machine with a corresponding stator (6). In order to increase the maximum torque with a given radial installation space, the stator (6) comprises • stator teeth (1) extending in the axial direction, • individual tooth windings (2) arranged around the stator teeth (1), of which at least two per phase of the axial flux machine in series are connected, • at least one connection (14) per phase for a supply line that contacts a single number winding (2) of the associated phase at a radially outer end section (3) of the single-tooth winding (2), the at least two series-connected single-tooth windings (2 ) each phase are electrically connected to one another at a radially inner end section (4) of the respective individual tooth windings (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator einer Axialflussmaschine sowie eine Axialflussmaschine mit einem entsprechenden Stator. Die Erfindung kann sowohl bei motorisch als auch generatorisch betriebenen Axialflussmaschinen zum Einsatz kommen.The invention relates to a stator of an axial flux machine and an axial flux machine with a corresponding stator. The invention can be used both in motor-driven and generator-driven axial flux machines.

Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist vielfach bei elektrischen Antriebsystemen für Elektrofahrzeuge der Fall. Beispielsweise bei Radnabenmotoren ist der axiale Bauraum durch die Maße der Felge begrenzt, in denen die Traktionsmaschine untergebracht wird. Auch bei sogenannten elektrischen Achssystemen besteht häufig eine Limitierung des axialen Bauraums für die E-Maschine, sodass der Einsatz einer Axialflussmaschine gegenüber einer Radialflussmaschine vorzuziehen ist.An axial flux machine is a dynamo-electric machine in which the magnetic flux between the rotor and stator runs parallel to the axis of rotation of the rotor. Often both the stator and the rotor are largely disk-shaped. Axial flux machines are particularly advantageous when the axially available installation space is limited in a given application. This is often the case with electric drive systems for electric vehicles. In the case of wheel hub motors, for example, the axial installation space is limited by the dimensions of the rim in which the traction machine is housed. Even with so-called electrical axle systems, there is often a limitation in the axial installation space for the electric machine, so that the use of an axial flow machine is preferable to a radial flow machine.

Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.In addition to the shortened axial length, another advantage of the axial flow machine is its comparatively high torque density. The reason for this is the larger air gap area compared to radial flow machines, which is available with a given installation space. Furthermore, a smaller iron volume is required compared to conventional machines, which has a positive effect on the efficiency of the machine.

In der Regel umfasst eine Axialflussmaschine mindestens einen Stator, der Wicklungen zur Erzeugung des axial ausgerichteten magnetischen Feldes aufweist. Mindestens ein Rotor ist beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt, deren magnetisches Feld in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der Statorwicklungen über einen Luftspalt ein Antriebsmoment erzeugt.As a rule, an axial flux machine comprises at least one stator, which has windings for generating the axially aligned magnetic field. At least one rotor is equipped, for example, with permanent magnets, the magnetic field of which generates a drive torque in interaction with the magnetic field of the stator windings via an air gap.

Axialflussmaschinen können mehr als einen Stator und/oder Rotor umfassen. Bekannt sind Anordnungen, bei denen ein Stator zwei Rotoren antreibt, von denen jeder auf einer Seite des Stators über einen Luftspalt beabstandet angeordnet ist. Ebenfalls bekannt sind Anordnungen, bei denen zwei Statoren einen Rotor antreiben, der mittig zwischen den beiden Statoren angeordnet ist.Axial flux machines can include more than one stator and / or rotor. Arrangements are known in which a stator drives two rotors, each of which is spaced apart on one side of the stator via an air gap. Also known are arrangements in which two stators drive a rotor which is arranged centrally between the two stators.

Häufig werden einzelne Wicklungen des Stators, die derselben elektrischen Phase zugehörig sind, miteinander in Reihe verschaltet. Da die beschriebenen Axialflussmaschinen am einfachsten am radial außen liegenden Bereich zugänglich sind, werden dort die Zuleitungen zur Stromversorgung der Maschine an die Statorwicklungen herangeführt. So ist aus WO 2020/072734 A1 eine Axialflussmaschine mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Die hier gezeigte Maschine umfasst Einzelzahnwicklungen, die im radial außen liegenden Bereich des Stators miteinander in Serie verschaltet sind. Zuleitungen zur Stromversorgung des Stators werden für jede Phase ebenfalls in einem radial außen liegenden Bereich mit den Einzelzahnwicklungen kontaktiert.Individual windings of the stator that belong to the same electrical phase are often connected to one another in series. Since the axial flux machines described are most easily accessible in the radially outer area, the supply lines for the power supply to the machine are brought up to the stator windings there. So it's over WO 2020/072734 A1 an axial flow machine with the features according to the preamble of claim 1 is known. The machine shown here comprises single-tooth windings which are connected to one another in series in the radially outer area of the stator. For each phase, supply lines for the power supply of the stator are also contacted with the individual tooth windings in a radially outer area.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das maximale Drehmoment eine Axialflussmaschine bei gegebenem radialem Bauraum zu erhöhen.The invention is based on the object of increasing the maximum torque of an axial flow machine for a given radial installation space.

Diese Aufgabe wird durch einen Stator einer Axialflussmaschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.This object is achieved by a stator of an axial flux machine with the features according to patent claim 1. Advantageous embodiments of the invention can be found in the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Stator umfasst Statorzähne, die sich in Axialrichtung erstrecken. Diese Statorzähne tragen jeweils eine Einzelzahnwicklung. Von den Einzelzahnwicklungen sind mindestens zwei pro Phase der Axialflussmaschine in Serie geschaltet. Beispielsweise verteilen sich die beiden in Serie geschalteten Einzelzahnwicklungen auf unterschiedliche Pole derselben Phase, wenn die Maschine eine Polpaarzahl größer eins hat.The stator according to the invention comprises stator teeth which extend in the axial direction. These stator teeth each have a single tooth winding. At least two of the individual tooth windings are connected in series for each phase of the axial flux machine. For example, the two single-tooth windings connected in series are distributed over different poles of the same phase if the machine has a number of pole pairs greater than one.

Die Stromversorgung der Statorwicklung geschieht über mindestens eine Zuleitung pro Phase. Bei einer 3-phasigen Axialflussmaschine werden demnach drei Zuleitungen, die in der Regel von einem Frequenzumrichter gespeist werden, mit der Statorwicklung kontaktiert. Insbesondere dann, wenn die Statorwicklung vom radial inneren Bereich der Axialflussmaschine nicht oder schwer zugänglich ist, erfolgt die Kontaktierung der Einzelzahnwicklungen mit den Zuleitungen an einem radial außen liegenden Endabschnitt der jeweils zu kontaktierenden Einzelzahnwicklung. Axialflussmaschinen in sogenannter H- Anordnung sind ein Beispiel für derartige Verhältnisse, bei denen die Kontaktierung mit den Zuleitungen vorteilhafter Weise im radial außen liegenden Bereich des Stators erfolgt.
Derartige Axialflussmaschinen, die auch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darstellen, weisen einen ersten Rotor auf, der über einen ersten Luftspalt auf einer ersten Seite des Stators angeordnet ist, und einen zweiten Rotor, der über einen zweiten Luftspalt auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stators angeordnet ist, wobei die Rotoren in einem radial innenliegenden Bereich drehfest über ein Kopplungselement verbunden sind. Das Kopplungselement kann beispielsweise eine gemeinsame Rotorwelle sein, mit der beide Rotoren drehfest verbunden sind. Der zwischen den beiden Rotoren angeordnete Stator ist bei dieser Bauweise in der Regel nicht vom radial inneren Bereich aus zugänglich, sodass die Einzelzahnwicklungen auch nicht oder nur unter erschwerten Bedingungen über einen radial innenliegenden Endabschnitt der Einzelzahnwicklungen kontaktierbar sind. Die radial innenliegenden Endabschnitte der Einzelzahnwicklungen des Stators können bei dieser Ausführungsform durch die Rotoren und das Kopplungselement sowohl axialseitig als auch radial innenseitig unzugänglich abgedeckt sein.The stator winding is supplied with power via at least one lead per phase. In a 3-phase axial flux machine, three supply lines, which are usually fed by a frequency converter, are contacted with the stator winding. In particular, when the stator winding is not accessible or is difficult to access from the radially inner region of the axial flow machine, the individual tooth windings are contacted with the supply lines at a radially outer end section of the respective individual tooth winding to be contacted. Axial flux machines in what is known as an H arrangement are an example of such conditions in which the contact with the supply lines is advantageously carried out in the radially outer region of the stator.
Such axial flux machines, which also represent an advantageous development of the invention, have a first rotor which is arranged via a first air gap on a first side of the stator, and a second rotor which is arranged via a second air gap on a second side opposite the first side of the stator is arranged, wherein the rotors are non-rotatably connected in a radially inner area via a coupling element. The coupling element can, for example, be a common rotor shaft to which the two rotors are connected in a rotationally fixed manner. The between In this design, the stator arranged on the two rotors is generally not accessible from the radially inner area, so that the individual tooth windings cannot be contacted via a radially inner end section of the individual tooth windings either, or only under difficult conditions. In this embodiment, the radially inner end sections of the individual tooth windings of the stator can be covered inaccessibly both axially and radially on the inside by the rotors and the coupling element.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass das maximale Drehmoment der Maschine bei gegebenem radial zur Verfügung stehenden Bauraum dadurch maximiert werden kann, dass der Durchmesser der magnetisch aktiven Teile maximiert wird. Konkret bedeutet dies, dass es zweckdienlich ist, die Einzelzahnwicklungen so weit wie möglich im radial außenliegenden Bereich des insbesondere scheibenförmig ausgebildeten Stators anzuordnen. Eine Kontaktierung der Zuleitungen an radial außenliegenden Endabschnitten der Einzelzahnwicklungen beansprucht Bauraum im radial außenliegenden Bereich des Stators, der nicht mehr für die magnetisch aktiven Teile zur Verfügung steht und somit zulasten des maximalen Drehmomentes geht. Wie bereits oben ausgeführt ist jedoch eine Kontaktierung der Wicklungen von innen in vielen Fällen und abhängig von der Bauform der Axialflussmaschine nicht möglich oder nur unter Inkaufnahme nachteilhafter Konstruktionsmaßnahmen.The invention is based on the knowledge that the maximum torque of the machine can be maximized for a given radial installation space available by maximizing the diameter of the magnetically active parts. Specifically, this means that it is expedient to arrange the individual tooth windings as far as possible in the radially outer area of the stator, which is in particular disk-shaped. Contacting the supply lines at radially outer end sections of the individual tooth windings requires installation space in the radially outer area of the stator, which is no longer available for the magnetically active parts and is therefore at the expense of the maximum torque. As already stated above, however, in many cases and depending on the design of the axial flow machine, contacting the windings from the inside is not possible or only with the acceptance of disadvantageous design measures.

Gemäß dem Stand der Technik geschieht die Verschaltung der Einzelzahnwicklungen des Stators untereinander, insbesondere der Serienschaltung mindestens zweier Einzelzahnwicklungen derselben Phase, ebenfalls im radial außen liegenden Bereich der Einzelzahnwicklungen, sofern die Kontaktierung der Zuleitungen auch radial außen geschieht. Man reserviert also regelmäßig einen radial außen liegenden Bereich für die Kontaktierung der Zuleitungen und für die Verschaltung der Einzelzahnwicklungen untereinander.According to the prior art, the individual tooth windings of the stator are interconnected, in particular the series connection of at least two individual tooth windings of the same phase, also in the radially outer area of the individual tooth windings, provided that the leads are also connected radially on the outside. A radially outer area is therefore regularly reserved for the contacting of the supply lines and for the interconnection of the individual tooth windings.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass eine Erhöhung des maximalen Drehmomentes der Axialflussmaschine auch in Fällen, in denen eine Kontaktierung der Zuleitungen von radial außen notwendig ist, dadurch erzielt werden kann, dass die mindestens zwei in Serie geschalteten Einzelzahnwicklungen jeder Phase an einem radial innenliegenden Endabschnitt der jeweiligen Einzelzahnwicklungen elektrisch miteinander verbunden sind. Mithin wird lediglich für die notwendigerweise außenliegende Kontaktierung der Zuleitungen ein Bereich im radial außen liegenden Bereich des Stators reserviert, der infolgedessen nicht für die magnetisch aktiven Teile verwendet werden kann. Die Verschaltung der Einzelzahnwicklungen untereinander wird nach radial innen verschoben und somit in einen Bereich, in dem der Beitrag magnetisch aktiver Teile zur Drehmomenterzeugung vergleichsweise gering ist.The invention is based on the knowledge that an increase in the maximum torque of the axial flux machine can also be achieved in cases in which contacting of the supply lines from radially outside is necessary in that the at least two series-connected individual tooth windings of each phase on one radial inner end portion of the respective individual tooth windings are electrically connected to one another. Therefore, an area in the radially outer area of the stator is reserved only for the necessary external contacting of the supply lines, which area consequently cannot be used for the magnetically active parts. The interconnection of the individual tooth windings with one another is shifted radially inwards and thus into an area in which the contribution of magnetically active parts to torque generation is comparatively small.

Eine Sternschaltung der Statorwicklung kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch realisiert werden, dass ein radial innenliegender Endabschnitt einer Einzelzahnwicklung jeder Phase mit einem gemeinsamen Sternpunkt elektrisch verbunden ist. Infolgedessen ist auch der gemeinsame Sternpunkt im radial innenliegenden Bereich des Stators angeordnet und damit in dem Bereich, der vergleichsweise wenig zum maximalen Drehmoment der Maschine beiträgt.A star connection of the stator winding can be implemented in an advantageous embodiment of the invention in that a radially inner end section of a single tooth winding of each phase is electrically connected to a common star point. As a result, the common star point is also arranged in the radially inner area of the stator and thus in the area that contributes comparatively little to the maximum torque of the machine.

Diejenigen Einzelzahnwicklungen, die mit einem Anschluss für eine Zuleitung im radial außenliegenden Bereich des Stators kontaktiert sind und deren radial innenliegender Endabschnitt mit einem radial innenliegenden Endabschnitt einer anderen Einzelzahnwicklung derselben Phase zwecks Serienschaltung verbunden sind, haben eine um eine halbe Windung größere Windungszahl als die anderen Einzelzahnwicklungen, die nicht unmittelbar mit einem Anschluss für eine Zuleitung verbunden sind. Diese Wicklungen erzeugen durch die halbe Zusatzwindung eine minimal höhere tangential Kraft auf den Rotor der Axialflussmaschine. Bei Axialflussmaschinen, bei der in vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung die Windungszahl jeder Einzelzahnwicklung die Windungszahl jeder Einzelzahnwicklung (2) mindestens 5 beträgt hat sich jedoch erwiesen, dass diese zusätzliche Tangentialkraft zu keiner spürbaren Drehmomentungleichförmigkeit führt und die radiale Kraft auf die Lagerung vernachlässigbar ist und somit in der Praxis keinen nachteilhaften Einfluss auf das Betriebsverhalten der Axialflussmaschine ausübt. Bei 5 Windungen hat eine halbe Windung 10% Effekt auf die tangentiale Kraft eines Zahnes. Ausgehend von 6 parallel wirkenden Zähnen, die auf den Umfang der Maschine verteilt sind, ergibt sich ein Einfluss von 1,6% aufs Drehmoment. Wenn durch die Verlegung der Serienschaltung der Einzelzahnwicklungen nach radial innen der effektive Radius um > 1,6 % vergrößert werden kann, ergibt sich bereits eine positive Bilanz.Those single-tooth windings that are contacted with a connection for a supply line in the radially outer area of the stator and whose radially inner end section is connected to a radially inner end section of another single-tooth winding of the same phase for the purpose of series connection have a number of turns that is half a turn greater than the other single-tooth windings that are not directly connected to a connection for a supply line. With half the additional turn, these windings generate a minimally higher tangential force on the rotor of the axial flux machine. In axial flux machines, in which, in an advantageous embodiment of the invention, the number of turns of each individual tooth winding is the number of turns of each individual tooth winding ( 2 ) is at least 5, however, it has been shown that this additional tangential force does not lead to any noticeable torque irregularity and the radial force on the bearing is negligible and therefore does not have a disadvantageous effect on the operating behavior of the axial flow machine in practice. At 5 Twists half a turn has a 10% effect on the tangential force of a tooth. Based on 6 parallel acting teeth, which are distributed over the circumference of the machine, there is an influence of 1.6% on the torque. If the effective radius can be increased by> 1.6% by shifting the series connection of the individual tooth windings radially inwards, the result is already a positive balance.

In diesem Zusammenhang hat es sich darüber hinaus als sinnvoll erwiesen das die Windungszahl jeder Einzelzahnwicklung höchstens 40, insbesondere höchstens 20, beträgt. Denn durch diese Begrenzung kann sichergestellt werden, dass die in die Serienschaltung der Einzelzahnwicklungen induzierte Spannung in einem beherrschbaren Bereich bleibt. Bei einem Einsatz der Axialflussmaschine in einem Elektrofahrzeug kann man auf diese Art und Weise erreichen, dass die induzierte Spannung in einer Serienschaltung von zwei Einzelzahnwicklungen pro Phase, wobei jede Einzelzahnwicklung maximal 20 Windungen aufweist, unter 1000 V bleibt.In this context, it has also proven to be useful that the number of turns of each individual tooth winding is at most 40, in particular at most 20. This limitation ensures that the voltage induced in the series connection of the individual tooth windings remains within a controllable range. When the axial flux machine is used in an electric vehicle, it is possible in this way to ensure that the induced voltage in a series connection of two individual tooth windings per phase, with each individual tooth winding having a maximum of 20 turns, remains below 1000 V.

Der Einfluss der zusätzlichen halben Windung bei den besagten Einzelzahnspulen kann dadurch weiter reduziert werden, dass die mit den Zuleitungen der Phasen direkt kontaktierten Einzelzahnwicklungen weitgehend symmetrisch über den Umfang des Stators verteilt sind.The influence of the additional half turn in the aforementioned individual tooth coils can be further reduced by the fact that the individual tooth windings that are directly contacted with the supply lines of the phases are distributed largely symmetrically over the circumference of the stator.

Alternativ ist eine Ausführungsform des Stators denkbar, bei der die mit den Zuleitungen der Phasen über die Anschlüsse direkt kontaktierten Einzelzahnwicklungen in Umfangsrichtung unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Indem die Anschlüsse für die Zuleitungen nur auf einem oder mehreren begrenzten Winkelbereichen angeordnet sind, ist der hierfür radial benötigte zusätzliche Bauraum ebenfalls auf diese Winkelbereich begrenzt. Indem diese Winkelbereiche im Gesamtsystem (z.B. Motor im Fahrzeug) in Bereiche angeordnet werden, wo mehr radialer Bauraum verfügbar ist, kann der Durchmesser für die magnetisch aktiven Bauteile weiter vergrößert werden.Alternatively, an embodiment of the stator is conceivable in which the individual tooth windings that are directly contacted by the leads of the phases via the connections are arranged directly next to one another in the circumferential direction. Since the connections for the supply lines are only arranged in one or more limited angular areas, the additional installation space required for this is also limited to this angular area. By arranging these angular areas in the overall system (e.g. engine in the vehicle) in areas where more radial installation space is available, the diameter for the magnetically active components can be increased further.

Neben einer Axialflussmaschine mit einem Stator nach einer der zuvor genannten Ausführungsformen in sogenannter H-Anordnung ist auch eine Axialflussmaschine vorteilhaft mit einem weiteren Stator nach einer dazu vorgeschriebenen Ausführungsformen und einem Rotor, der axial zwischen den beiden Statoren jeweils über einen Luftspalt beabstandet angeordnet ist. Bei dieser sogenannten I-Anordnung wäre zwar grundsätzlich auch eine Kontaktierung der Zuleitungen zu den Einzelzahnwicklungen der Statoren von radial innen denkbar, da die Statoren in diesem Bereich nicht komplett unzugänglich sind. Jedoch würde eine solche Kontaktierung der Zuleitungen axialen Bauraum beanspruchen, der in vielen Anwendungen insbesondere in Fahrzeugen nicht zur Verfügung steht. Daher ist der erfinderische Gedanke, den Bauraum für die Verschaltung der Einzelzahnwicklungen untereinander im radial innenliegenden Bereich des Stators zu realisieren und die Zuleitungen dennoch von radial außen an die Einzelzahnwicklungen heranzuführen, auch bei Axialflussmaschinen in I-Anordnung äußerst hilfreich, um das maximale Drehmoment der Axialflussmaschine bei gegeben Bauraumverhältnissen zu erhöhen.In addition to an axial flux machine with a stator according to one of the aforementioned embodiments in a so-called H-arrangement, an axial flux machine is also advantageous with a further stator according to an embodiment prescribed for this purpose and a rotor which is arranged axially between the two stators spaced apart by an air gap. With this so-called I-arrangement, contacting of the supply lines to the individual tooth windings of the stators from the radial inside would also be conceivable, since the stators are not completely inaccessible in this area. However, such a contacting of the supply lines would require axial installation space which is not available in many applications, especially in vehicles. Therefore, the inventive idea of realizing the installation space for the interconnection of the individual tooth windings with one another in the radially inner area of the stator and still leading the supply lines to the individual tooth windings from the radially outside is extremely helpful, even with axial flow machines in an I-arrangement, in order to achieve the maximum torque of the axial flow machine to increase with given installation space conditions.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten beispielhaften Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

1: Eine erste Ausführungsform einer Axialflussmaschine in H-Anordnung,
2: eine zweite Ausführungsform einer Axialflussmaschine in I-Anordnung,
3: einen Stator für eine Axialflussmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
4: eine aus dem Stand der Technik bekannte Statorwicklung für Axialflussmaschinen.

The invention is explained in more detail below using the exemplary embodiments shown in the figures. Show it:

1 : A first embodiment of an axial flow machine in H-arrangement,
2 : a second embodiment of an axial flow machine in I-arrangement,
3 : a stator for an axial flux machine according to an embodiment of the invention and
4th : a stator winding known from the prior art for axial flux machines.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Axialflussmaschine in sogenannter H-Anordnung. Bei dieser Anordnung ist ein im Wesentlichen scheibenförmiger Stator 6 zwischen einem ersten Rotor 7 und einem zweiten Rotor 8 angeordnet. Der erste Rotor 7 ist über einen ersten Luftspalt 11 axial von dem Stator 6 beabstandet. Der zweite Rotor 8 ist über einen zweiten Luftspalt 12 in axialer Richtung von dem Stator 6 beabstandet. Die beiden Rotoren 7, 8 sind über ein Kopplungselement 9 in Form einer Rotorwelle drehfest miteinander verbunden. Auf dem Stator 6 sind über den Umfang verteilt nicht dargestellte Einzelzahnwicklungen angeordnet. Diese Einzelzahnwicklungen sind zu einer dreiphasigen Statorwicklung verschaltet und erzeugen ein axial gerichtetes Feld im jeweiligen Luftspalt 11, 12. Auf der Oberfläche des ersten Rotors 7, die dem ersten Luftspalt 11 zugewandt ist, befinden sich hier nicht dargestellte Permanentmagnete, die ebenfalls ein axial gerichtetes Magnetfeld im ersten Luftspalt 11 erzeugen. Analog befinden sich auch auf der Oberfläche des zweiten Rotors 8 an der dem zweiten Luftspalt 12 zugewandten Seite Permanentmagnete, die ebenfalls ein axial gerichtetes Magnetfeld im zweiten Luftspalt 12 erzeugen. 1 shows a first embodiment of an axial flow machine in a so-called H arrangement. In this arrangement there is a substantially disk-shaped stator 6th between a first rotor 7th and a second rotor 8th arranged. The first rotor 7th is over a first air gap 11 axially from the stator 6th spaced. The second rotor 8th is via a second air gap 12 in the axial direction from the stator 6th spaced. The two rotors 7th , 8th are via a coupling element 9 non-rotatably connected to one another in the form of a rotor shaft. On the stator 6th individual tooth windings, not shown, are distributed over the circumference. These single-tooth windings are interconnected to form a three-phase stator winding and generate an axially directed field in the respective air gap 11 , 12 . On the surface of the first rotor 7th that is the first air gap 11 is facing, there are permanent magnets, not shown, which also have an axially directed magnetic field in the first air gap 11 produce. Analog are also located on the surface of the second rotor 8th at the second air gap 12 facing side permanent magnets, which also have an axially directed magnetic field in the second air gap 12 produce.

Wie in 1 zu erkennen ist, sind die auf dem Stator 6 angeordneten Einzelzahnwicklungen durch die Baugruppe bestehend aus den beiden Rotoren 7,8 und der Rotorwelle radial innenseitig abgedeckt, sodass sie von radial innen betrachtet nicht zugänglich sind. Zur Kontaktierung der Einzelzahnwicklungen bietet es sich daher an, entsprechende Zuleitungen von radial außen an den Stator 6 zuzuführen und dort mit den entsprechenden Einzelzahnwicklungen zu verbinden.As in 1 can be seen are those on the stator 6th arranged single tooth windings covered by the assembly consisting of the two rotors 7, 8 and the rotor shaft radially on the inside, so that they are not accessible from the radial inside. In order to make contact with the individual tooth windings, it is therefore advisable to use appropriate feed lines from radially outside to the stator 6th feed and connect there with the corresponding individual tooth windings.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Axialflussmaschine in I-Anordnung. Bei dieser Ausführungsform einer Axialflussmaschine ist ein erster Stator 6 über einen ersten Luftspalt 11 von einem Rotor 7 beabstandet. Der Rotor 7 ist über einen zweiten Luftspalt 12 von einem zweiten Stator 10 beabstandet, sodass der Rotor 7 mittig zwischen den beiden Statoren 6, 10 angeordnet ist. Der Rotor 7 ist wiederum drehfest mit einer Rotorwelle verbunden. Bei dieser Ausführungsform wären auf den Statoren 6, 10 angeordnete Einzelzahnwicklungen prinzipiell auch an ihrer radial innenliegenden Seite zur Kontaktierung mit entsprechenden Zuleitungen zugänglich. Voraussetzung hierfür wäre jedoch, dass axial entsprechender Bauraum zur Zuführung der Zuleitungen zur Verfügung steht. Daher ist es auch bei dieser Bauform in I-Anordnung häufig zweckdienlicher, die Zuleitungen zu den Einzelzahnspulen von radial außen an die Statoren 6, 10 heranzuführen. 2 shows a second embodiment of an axial flow machine in an I-arrangement. In this embodiment, an axial flux machine is a first stator 6th via a first air gap 11 from a rotor 7th spaced. The rotor 7th is via a second air gap 12 from a second stator 10 spaced so that the rotor 7th centered between the two stators 6th , 10 is arranged. The rotor 7th is in turn connected non-rotatably to a rotor shaft. In this embodiment would be on the stators 6th , 10 arranged single-tooth windings in principle also accessible on their radially inner side for contacting with corresponding supply lines. A prerequisite for this, however, would be that there is axially appropriate installation space available for feeding the supply lines. It is therefore often more useful in this I-arrangement design to use the Supply lines to the individual tooth coils from radially outside to the stators 6th , 10 to introduce.

3 zeigt einen Stator 6 für eine Axialflussmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der dargestellte Stator 6 kann sowohl in einer H-Anordnung als auch in einer I-Anordnung vorteilhaft zum Einsatz kommen. Innerhalb eines Gehäuses 13 des im Wesentlichen scheibenförmigen Stators 6 sind einzelne Statorzähne 1 über den Umfang verteilt angeordnet. Jeder dieser Statorzähne 1 ist von einer Einzelzahnspule 2 umgeben. 3 shows a stator 6th for an axial flow machine according to an embodiment of the invention. The stator shown 6th can be used advantageously in an H-arrangement as well as in an I-arrangement. Inside a housing 13 of the essentially disc-shaped stator 6th are individual stator teeth 1 arranged distributed over the circumference. Each of these stator teeth 1 is from a single tooth spool 2 surround.

Es handelt sich um eine dreiphasige Axialflussmaschine. Entsprechend sind am Außenumfang des Stators 3 Anschlüsse 14 vorgesehen, an die die 3 Zuleitungen angeschlossen werden können. Jeder der 3 Anschlüsse ist für eine Phase der Maschine vorgesehen. Innerhalb des Stators ist für jede Phase jeweils ein radial außenliegender Endabschnitt 3 einer Einzelzahnwicklung mit einem der Anschlüsse 14 verbunden.It is a three-phase axial flow machine. Correspondingly are on the outer circumference of the stator 3 connections 14th provided, to which the 3 supply lines can be connected. Each of the 3 connections is intended for one phase of the machine. Within the stator there is a radially outer end section for each phase 3 a single tooth winding with one of the connections 14th connected.

Die dargestellte dreiphasige Axialflussmaschine umfasst insgesamt 12 Einzelzahnwicklungen 2. Somit sind für jede Phase der Maschine insgesamt vier Einzelzahnwicklungen 2 vorgesehen, die miteinander in Serie verschaltet sind. Die Verbindung der miteinander in Serie geschalteten Einzelzahnwicklungen 2 erfolgt über jeweilige radial innenliegende Endabschnitte 4 der entsprechenden Einzelzahnwicklungen 2. Diese radial innenliegenden Endabschnitte 4 verlaufen nahe der Rotorwelle. Der für diese Verbindungsstücke benötigte Bauraum liegt daher in einem Bereich, in dem aktive magnetische Teile am wenigsten zur Drehmomentbildung beitragen.The three-phase axial flow machine shown comprises a total of 12 individual tooth windings 2 . There are therefore a total of four individual tooth windings for each phase of the machine 2 provided, which are interconnected in series. The connection of the single-tooth windings connected in series 2 takes place via respective radially inner end sections 4th the corresponding single-tooth windings 2 . These radially inner end sections 4th run close to the rotor shaft. The installation space required for these connecting pieces is therefore in an area in which active magnetic parts contribute the least to the generation of torque.

Der Bereich für die Anschlüsse 14 konzentriert sich auf einen relativ engen Winkelbereich des Umfangs der Axialflussmaschine. Für die Anschlüsse 14 wird radial etwas mehr Bauraum benötigt als für den restlichen Bereich des Stators 6. Durch die Konzentrierung der Anschlüsse 14 auf diesen begrenzten Winkelbereich kann der zur Verfügung stehende Bauraum in vielen Anwendungen, insbesondere auch in Fahrzeugen, effektiver genutzt werden.The area for the connections 14th focuses on a relatively narrow angular range of the circumference of the axial flow machine. For the connections 14th slightly more space is required radially than for the rest of the stator area 6th . By concentrating the connections 14th In this limited angular range, the available installation space can be used more effectively in many applications, especially in vehicles.

4 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Statorwicklung für Axialflussmaschinen. Auch hier handelt es sich um eine dreiphasige Axialflussmaschine. Insgesamt sind 18 Einzelzahnwicklungen 2 vorgesehen, sodass jede elektrische Phase durch sechs in miteinander verschalteten geschaltete Einzelzahnwicklungen 2 gebildet wird. Anschlüsse 14 für die Zuleitungen sind auch hier im radial außenliegenden Bereich angeordnet. Die Verbindung der einzelnen Einzelzahnwicklungen 2 ist ebenfalls im radial außenliegenden Bereich der Einzelzahnwicklungen 2 vorgesehen. Es ist deutlich zu erkennen, dass über den gesamten Umfang des Stators radial außenliegender Raum für die Serienschaltung der Einzelzahnwicklungen 2 vorgehalten werden muss, der somit nicht zur Drehmomentbildung durch magnetisch aktive Teile verfügbar ist. 4th shows a stator winding known from the prior art for axial flux machines. This is also a three-phase axial flow machine. There are a total of 18 individual tooth windings 2 provided so that each electrical phase is carried out by six individual tooth windings that are connected to one another 2 is formed. connections 14th for the supply lines are also arranged here in the radially outer area. The connection of the individual individual tooth windings 2 is also in the radially outer area of the individual tooth windings 2 intended. It can be clearly seen that over the entire circumference of the stator there is radially outer space for the series connection of the individual tooth windings 2 must be kept, which is therefore not available for torque generation by magnetically active parts.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: StatorzahnStator tooth
22: EinzelzahnwicklungSingle tooth winding
33: radial innenliegender Endabschnittradially inner end section
44th: radial außenliegender Endabschnittradially outer end section
55: SternpunktStar point
66th: erster Statorfirst stator
77th: erster Rotorfirst rotor
88th: erster Rotorfirst rotor
99: KopplungselementCoupling element
1010: zweiter Statorsecond stator
1111: erster Luftspaltfirst air gap
1212: zweiter Luftspaltsecond air gap
1313: Gehäusecasing
1414th: Anschlussconnection

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

WO 2020/072734 A1 [0006]

Claims

Stator (6) of an axial flux machine with • stator teeth (1) extending in the axial direction, • individual tooth windings (2) arranged around the stator teeth (1), of which at least two are connected in series per phase of the axial flux machine, • at least one connection (14) per phase for a supply line which contacts a single number winding (2) of the associated phase at a radially outer end section (3) of the single tooth winding (2), characterized in that the at least two series-connected single tooth windings (2) of each phase on a radially inner End section (4) of the respective individual tooth windings (2) are electrically connected to one another.

Stator (6) Claim 1 , wherein a radially inner end section (4) of a single tooth winding (2) of each phase is electrically connected to a common star point (5).

Stator (6) Claim 1 or 2 , the number of turns of each individual tooth winding (2) being at least 5 and at most 40, in particular at most 20.

Stator (6) according to one of the preceding claims, wherein the individual tooth windings (2) which are in direct contact with the connections (14) of the phases are distributed largely symmetrically over the circumference of the stator (6).

Stator (6) according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the individual tooth windings (2) which are in direct contact with the connections (14) of the phases are arranged directly next to one another in the circumferential direction.

Axial flux machine with a stator (6) according to one of the preceding claims.

Axial flux machine according to Claim 6 , wherein the axial flow machine has a first rotor (7) which is arranged via a first air gap (11) on a first side of the stator (6), and a second rotor (8) which is arranged via a second air gap (12) on a the second side of the stator (6) opposite the first side is arranged, the rotors (7; 8) being non-rotatably connected in a radially inner region via a coupling element (9).

Axial flux machine according to Claim 7 , the radially inner end sections (4) of the individual tooth windings (2) of the stator being covered inaccessibly both axially and radially on the inside by the rotors (7; 8) and the coupling element (9).

Axial flux machine according to Claim 6 with another stator (10) after one of the Claims 1 to 5 and a rotor (7) which is arranged axially between the two stators (6; 10) at a distance in each case via an air gap (11; 12).