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Die Erfindung betrifft ein Nutverschlusselement für ein Aktivteil einer elektrischen Maschine, zum Verschließen einer Wicklungsnut eines Aktivteileisens des Aktivteils und zum Halten von Wicklungsleitern einer Wicklung des Aktivteils in der Wicklungsnut. Die Erfindung betrifft außerdem ein Aktivteil sowie eine elektrische Maschine.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektromechanische Energiewandler bzw. elektrische Maschinen, welche beispielsweise als elektrische Traktionsmaschinen in elektrifizierten Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können. Eine elektrische Maschine weist Aktivteile in Form von einem ortsfest gelagerten Stator bzw. Ständer sowie in Form von einem bezüglich des Stators beweglich gelagerten Rotor bzw. Läufer auf. Die Aktivteile weisen üblicherweise magnetfelderzeugende Systeme, beispielsweise eine bestrombare Wicklung und/oder Permanentmagnete auf, welche von einem Aktivteileisen gehalten werden und einen magnetischen Fluss erregen bzw. erzeugen. Wicklungsleiter der bestrombaren Wicklung sind dabei üblicherweise in Wicklungsnuten des Aktivteileisens angeordnet, welche von Nutverschlusselementen verschlossen sein können. Diese Nutverschlusselemente sind insbesondere bei einem Rotor einer elektrisch erregten Maschine dazu ausgelegt, die Wicklungsleiter in der jeweiligen Wicklungsnut zu halten, indem sie die Wicklungsleiter gegenüber den auf die Wicklungsleiter wirkenden Fliehkräften im Betrieb des Rotors absichern.
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Dabei kann es vorkommen, dass die Nutverschlusselemente, je nach Betriebspunkt, von magnetischen Streuflüssen der Wicklung durchflutet werden. Diese magnetischen Streuflüsse sind nicht für die elektromechanische Wandlung der elektrischen Maschine heranziehbar. Ein erhöhter magnetischer Streufluss unter Last verringert eine Ausbeute der Aktivteile der elektrischen Maschine und beeinflusst unter anderem die Akustik, die Effizienz und die Leistung der elektrischen Maschine und somit die Reichweite des elektrifizierten Kraftfahrzeuges in negativer Weise.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders streuflussarme und effiziente elektrische Maschine bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Nutverschlusselement, ein Aktivteil sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Nutverschlusselement für ein Aktivteil einer elektrischen Maschine dient zum Verschließen einer Wicklungsnut eines Aktivteileisens des Aktivteils und zum Halten von Wicklungsleitern einer Wicklung des Aktivteils in der Wicklungsnut. Das Nutverschlusselement weist eine Anordnung auf, welche zumindest eine Kavität aufweist und dazu ausgelegt ist, einen von der Wicklung erzeugten, über das Nutverschlusselement geleiteten magnetischen Streufluss zu reduzieren.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Aktivteil für eine elektrische Maschine, welches ein Aktivteileisen mit einer Vielzahl von Wicklungsnuten aufweist. Außerdem weist das Aktivteil eine Wicklung mit Wicklungsleitern zur Erzeugung eines magnetischen Flusses, welche in den Wicklungsnuten angeordnet sind, und zumindest ein erfindungsgemäßes Nutverschlusselement, welches zum Halten der Wicklungsleiter der Wicklung in der Wicklungsnut angeordnet ist, auf. Vorzugsweise ist das Aktivteil als ein Rotor ausgebildet. Ferner gehört zur Erfindung eine elektrische Maschine, welche zumindest ein erfindungsgemäßes Aktivteil aufweist. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine elektrisch erregte Maschine.
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Die elektrische Maschine kann beispielsweise als elektrische Traktionsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendet werden. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine rotatorisch arbeitende elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann auch eine permanenterregte elektrische Maschine oder eine hybriderregte elektrische Maschine sein. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Synchronmaschine, kann jedoch auch als eine Asynchronmaschine ausgebildet sein. Die elektrische Maschine weist zwei Aktivteile in Form von einem ortsfest gelagerten Stator bzw. Ständer sowie einem bezüglich des Stators beweglich, beispielsweise drehbar, gelagerten Rotor bzw. Läufer auf. Zumindest der Stator weist eine Wicklung auf, welcher zum Erzeugen eines magnetischen Flusses ein elektrischer Strom zuführbar ist. Vorzugsweise weist auch der Rotor unter Ausbildung einer elektrisch erregten Maschine eine bestrombare Wicklung auf. Die Wicklung weist Wicklungsleiter auf, welche beispielsweise stabförmig oder drahtförmig ausgebildet sein können und welchen ein elektrischer Strom zur Erzeugung eines magnetischen Flusses zugeführt werden kann.
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Die Wicklung wird von einem Aktivteileisen, beispielsweise einem Blechpaket, gehalten. Dazu weist das Aktivteileisen Wicklungsnuten auf, welche sich zwischen zwei axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Aktivteileisens erstrecken und entlang einer Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind. Im Falle einer stromerregten Innenläufermaschine ist das Aktivteileisen des Stators, also das Statoreisen, hohlzylinderförmig ausgebildet und weist an einer Innenseite die sich axial erstreckenden, entlang des Umfangs verteilt angeordnete Wicklungsnuten auf. Der als Innenläufer ausgebildete Rotor ist innerhalb des hohlzylinderförmigen Aktivteileisens des Stators drehbar gelagert, wobei eine dem Stator zugewandte Außenseite des Aktivteileisens des Rotors, also des Rotoreisens, die sich axial erstreckenden, entlang des Umfangs verteilt angeordneten Wicklungsnuten aufweist.
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Um die Wicklungsnuten zu verschließen und dabei die in den Wicklungsnuten angeordneten Wicklungsleiter der Wicklung in den Wicklungsnuten einzuschließen, werden häufig Nutverschlusselemente bzw. Nutverschlusskörper verwendet, welche auch als Nutverschlusskeile bzw. Nutverschlüsse bezeichnet werden. Diese Nutverschlusselemente bilden beispielsweise bei einem Innenläufer gemeinsam mit einer Außenseite des Aktivteileisens eine Außenfläche des Rotors. Die Nutverschlusselemente sind beispielsweise aus einem ferromagnetischen oder einem magnetisch nicht leitenden Werkstoff ausgebildet. Diese Nutverschlusselemente können von einem magnetischen Streufluss durchflutet werden, welcher von den Wicklungsleitern der Wicklung erzeugt bzw. erregt wird. Bei dem Rotor treten diese magnetischen Streuflüsse zwischen den Wicklungsnuten beispielsweise während des Betriebs auf, bei welcher es zu einer asymmetrischen Magnetfeldverteilung innerhalb des Rotors kommt. Da diese magnetischen Streuflüsse nicht zur Drehmomentwandung herangezogen werden können, weisen die Nutverschlusselemente die Anordnung zur magnetischen Streuflussreduzierung auf.
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Die Anordnung weist zumindest eine Kavität bzw. einen Hohlraum auf, welche bzw. welcher in dem Nutverschlusselement ausgebildet ist und unbefüllt oder befüllt sein kann. Die Kavitäten der Nutverschlusselemente dienen zur zumindest partiellen Reduzierung des magnetischen Streuflusses und erstrecken sich zumindest teilweise in Höhenrichtung des Nutverschlusselementes durch das Nutverschlusselement. Diese Höhenrichtung korrespondiert mit einer axialen Erstreckungsrichtung der Wicklungsnut. Die zumindest eine Kavität verläuft insbesondere entlang einer Breitenrichtung, welche mit einer tangentialen Erstreckungsrichtung der Wicklungsnut korrespondiert, durch das Nutverschlusselement. Beispielsweise kann die Kavität streifenförmig ausgebildet sein und im Wesentlichen horizontal orientiert sein. Das Nutverschlusselement weist insbesondere zumindest zwei, in einer Tiefenrichtung, welche mit einer radialen Erstreckungsrichtung der Wicklungsnut korrespondiert, beabstandet zueinander angeordnete Kavitäten auf. Die zumindest zwei Kavitäten einer Wicklungsnut sind also in vertikaler Richtung beabstandet zueinander angeordnet.
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Die Anordnung mit den Kavitäten entspricht einer Strukturierung der Nutverschlusselemente, durch welche gezielt die magnetische Sättigung innerhalb der Nutverschlusselemente beeinflusst und folglich herangezogen werden kann, um die magnetischen Streuflüsse erheblich zu reduzieren. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass mehr magnetische Flussdichte in einem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor zur Verfügung steht und somit ein höheres Drehmoment bei gleichem, den Wicklungsleitern zugeführtem Strom gewandelt werden kann. Ebenso kann den Wicklungsleitern ein geringerer Strom zugeführt werden, um dasselbe Drehmoment zu wandeln wie bei einem Aktivteil mit magnetischen Streuflüssen zwischen den Wicklungsnuten.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Kavität zumindest teilweise mit einem Gas, beispielsweise Luft, gefüllt ist und somit zusätzlich dazu ausgelegt ist, eine Elastizität des Nutverschlusselements zu erhöhen. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einem durch Kräfte angeregten Rotor je nach Frequenz und Amplitude zu sogenannten Eigenmoden, das heißt speziellen elastischen Verformungen in einem schwingfähigen System, kommen kann. Sehr steife Nutverschlusselemente können dieser Verformung nicht folgen. Durch die Strukturierung eines Nutverschlusselementes mit zumindest einer gasgefüllten Kavität kann die Elastizität des Nutverschlusselementes erhöht und folglich die Steifigkeit verringert werden. So können die Nutverschlusselemente der elastischen Verformung des Rotors folgen.
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Auch kann vorgesehen sein, die zumindest eine Kavität zumindest teilweise mit zumindest einem Permanentmagneten befüllt ist. Die Anordnung eines Nutverschlusselementes weist also zumindest einen Permanentmagneten auf, welcher in der zumindest einen Kavität angeordnet ist und somit in das Nutverschlusselement eingebettet ist. Beispielsweise kann das Nutverschlusselement auch mehrere Kavitäten aufweisen, von welchen zumindest eine Kavität mit Gas und zumindest eine andere Kavität mit einem Permanentmagneten befüllt ist. Die Magnetisierung der Permanentmagnete erfolgt vorzugsweise tangential zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine, also in Breitenrichtung des Nutverschlusselementes. Innerhalb des Nutverschlusselementes sind beispielsweise zwei Kavitäten ausgebildet, in welchen zwei Permanentmagnete mit entgegengesetzter, tangentialer Magnetisierung liegen. Die Kavitäten können beispielsweise in Breitenrichtung beabstandet zueinander angeordnet sein. Durch die Streuflussbeeinflussung mittels Permanentmagneten kann die magnetische Luftspaltflussdichte dahingehend beeinflusst werden, dass harmonischen Oberwellen der magnetischen Luftspaltflussdichte reduziert werden und die Grundharmonische der magnetischen Luftspaltflussdichte vergrößert wird. Durch die Überlagerung des durch die Wicklung erzeugten elektrisch erregten magnetischen Flusses und des durch die Permanentmagnete erzeugten permanenterregten magnetischen Flusses werden so lokale magnetische Streuflüsse verdrängt. Insgesamt kann durch die Streuflussverdrängung mehr Nutzfluss erzeugt werden, um somit unter anderem die Effizienz, die Akustik und die Leistung der elektrischen Maschine positiv zu beeinflussen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die zumindest eine Kavität dazu ausgelegt ist, ein Kühlmittel zur Kühlung des Aktivteils zu führen. Die Nutverschlusselemente stellen also zusätzlich eine aktive Kühlung bereit, indem ein Kühlmittel bzw. Kühlmedium durch die Kavitäten geleitet wird, welches die im Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Verlustwärme abführt. So kann die Effizienz der elektrischen Maschine weiter gesteigert werden.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Nutverschlusselement vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Aktivteil sowie für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Aktivteils einer elektrischen Maschine; und
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Aktivteils.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen eines Aktivteils 1 für eine elektrische Maschine, welche beispielsweise als Traktionsmaschine für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug verwendet werden kann. Das Aktivteil 1 ist insbesondere als ein Rotor ausgebildet. Das Aktivteil 1 weist ein Aktivteileisen 2 zum Halten einer bestrombaren Wicklung 3 des Aktivteils 1 sowie zum Leiten eines magnetischen Flusses bzw. Magnetfeldes der Wicklung 3 auf. Die Wicklung 3 weist Wicklungsleiter 4 auf, welche in Wicklungsnuten 5 des Aktivteileisens 2 angeordnet sind. Die Wicklungsnuten 5 sind als kanalartige Vertiefungen beliebiger Form zwischen zwei Zähnen 6 des Aktivteileisens 2 ausgebildet. Zwischen den Wicklungsleitern 4 und einer Wand der Wicklungsnuten 5 ist ein elektrischer Isolator 7 angeordnet. Außerdem sind die Wicklungsnuten 5 von jeweils einem Nutverschlusselement 8 verschlossen, welches dazu ausgelegt ist, die Wicklungsleiter 4 in den Wicklungsnuten 5 zu halten. Das Nutverschlusselement 8 einer Wicklungsnut 5 ist mechanisch, beispielsweise formschlüssig und/oder stoffschlüssig, mit den an die Wicklungsnut 5 angrenzenden Zähnen 6 verbunden.
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Da die Nutverschlusselemente 8 von einem unerwünschten Streuflussanteil des magnetischen Flusses der Wicklung 3 durchflutet werden können, weisen die Nutverschlusselemente 8 zumindest teilweise eine Anordnung 9 zur Streuflussreduzierung auf. Die Anordnung 9 weist je Nutverschlusselement 8 zumindest eine Kavität 10 auf, welche bei der Ausführungsform des Aktivteils 1 gemäß 1 mit Luft gefüllt ist. Hier weist die Anordnung 9 beispielhaft drei streifenförmige Kavitäten 10, welche in einer Tiefenrichtung T beabstandet zueinander angeordnet sind und entlang einer Breitenrichtung B orientiert sind. Die Kavitäten 10 erstrecken sich insbesondere entlang einer Höhenrichtung H (senkrecht zur Zeichenebene) über eine gesamte Höhe des Nutverschlusselementes 8. Durch die luftgefüllten Kavitäten 10 wird zusätzlich zur Streuflussreduzierung eine Steifigkeit der Nutverschlusselemente 8 verringert und damit eine Elastizität der Nutverschlusselemente 8 in Tiefenrichtung T erhöht. Außerdem können die Kavitäten 10 zumindest zeitweise mit einem Kühlmittel durchflutet werden, durch welches das Aktivteil 1 gekühlt werden kann.
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Bei der Ausführungsform des Aktivteils 1 gemäß 2 weist die Anordnung 9 zwei, sich in Breitenrichtung B gegenüberliegende Kavitäten 10 auf, welche jeweils mit einem Permanentmagneten 11 befüllt sind. Die Permanentmagnete 11 sind zur Erzeugung eines permanenterregten magnetischen Flusses ausgebildet, welcher den durch die Wicklung 3 erzeugten magnetischen Streufluss kompensieren kann. Die Permanentmagnete 11 sind hier in entgegengesetzter Richtung magnetisiert. Dazu sind hier erste Pole, beispielsweise Südpole S, der Permanentmagnete 11 einander zugewandt und zweite Pole, beispielsweise Nordpole N, der Permanentmagnete 11 einander abgewandt.
