DE102020121176B3

DE102020121176B3 - Elektromaschinen-Motorstator, bei dem jeweils zwei Formstab-Axialenden elektrisch schaltbar miteinander verbunden sind

Info

Publication number: DE102020121176B3
Application number: DE102020121176.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Engelhardt
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2021-08-05
Anticipated expiration: 2040-08-13

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromaschinen-Motorstator (10) mit mehreren Statorspulen (20) mit jeweils mehreren Windungen (24,25), wobei die Windungen (24,25) jeweils von mehreren axialen Formstäben (30) gebildet sind, deren Axialenden (31,32) zur Bildung der Windungen (24,25) an den beiden endseitigen Motorstator-Spulenköpfen (21,22) an Schweißpunkten (26) dauerhaft elektrisch miteinander verbunden sind. An mindestens einem Spulenkopf (21) sind mehrere elektrische Verbindungsschalter (40; 40') ringartig verteilt angeordnet sind, die jeweils zwei Formstab-Axialenden (32) elektrisch schaltbar miteinander verbinden. Die Verbindungsschalter (40; 40') schließen jeweils mindestens eine Windung (25) einer Statorspule (20) elektrisch kurz, wobei die Verbindungsschalter (40) im Wesentlichen in einer Querebene zwischen den Formstab-Axialenden (32) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromaschinen-Motorstator, dessen Statorspulen-Windungen jeweils von mehreren axialen Formstäben gebildet sind.
Der Motorstator ist vorzugsweise Teil eines elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotors, der eine Dauerleistung von mehreren 100 kW abgeben kann. Bei derartigen Elektromaschinen werden zur Bildung der Windungen der Statorspulen axiale Formstäbe eingesetzt, deren Axialenden zur Bildung der Windungen an Schweißpunkten dauerhaft miteinander elektrisch verbunden sind. Als Formstäbe können beispielsweise sogenannte Hairpins verwendet werden, deren Längsenden gebogen bzw. getwistet und entsprechend versetzt miteinander verschweißt sind.
Die Verbindungspunkte zwischen den Formstäben ermöglichen eine den Anforderungen entsprechende spannungshaltende Windungszahl. Die Windungszahl bestimmt eine elektrische Charakteristik der Elektromaschine, die den Verlauf des maximalen Drehmoments über der Drehzahl und den Wirkungsgrad der Elektromaschine über alle Betriebspunkte beschreibt. Derartige Elektromaschinen sind beispielsweise bekannt aus DE 10 2017 214 958 A1 und CN 101594112A . Da die Windungszahl der Statorspulen im Betrieb nicht verändert werden kann, kann auch die sich hieraus ergebende Elektromaschinen-Charakteristik im Betrieb nicht verändert werden.
Weiterer Stand der Technik wird dargelegt in DE 10 2013 112 086 A1 , DE 10 2012 209 080 A1 , US 2016 / 0 090 960 A1 , DE 10 2017 112 993 A1 sowie DE 10 2005 032 965 A1 .
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Elektromaschinen-Motorstator zu schaffen, dessen elektrisch effektive Windungszahl im Betrieb veränderbar ist ohne die axiale Länge des Motorstators nennenswert zu verändern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Elektromaschinen-Motorstator mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der Elektromaschinen-Motorstator weist mehrere Statorspulen auf, die beispielsweise in Dreiecks- oder Sternschaltung miteinander verschaltet sein können. Jede Statorspule weist jeweils mehrere Windungen auf, wobei die Windungen jeweils von mehreren axialen Formstäben gebildet sind, deren Axialenden zur Bildung der Windungen an Verbindungspunkten dauerhaft miteinander verbunden sind, beispielsweise dauerhaft miteinander verschweißt sind. Formstäbe werden typischerweise in Hochleistungs-Motorstatoren eingesetzt, da Formstäbe wegen ihres nahezu rechteckigen Querschnitts eine hohe Packungsdichte ermöglichen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an mindestens einem Spulenkopf des Motorstators, d.h. an mindestens einem Längsende des Motorstators, mehrere elektrische Verbindungsschalter ringartig verteilt angeordnet sind, die jeweils zwei Formstab-Axialenden schaltbar derart miteinander verbinden, so dass die geschlossenen Verbindungsschalter jeweils mindestens eine Windung einer Statorspule elektrisch kurzschließen. Jeder Verbindungsschalter ist jeweils zwischen einem geöffneten und elektrisch geschlossenen bzw. elektrisch leitenden Schaltzustand umschaltbar.
Die elektrisch effektive Windungszahl einer Statorspule kann durch Öffnen bzw. Schließen des Verbindungsschalters also verändert werden, da eine Windung oder mehrere Windungen einer Statorspule elektrisch durch Kurzschließen elektrisch unwirksam gemacht werden kann bzw. können. Auf diese Weise ist es möglich, im Betrieb der betreffenden Elektromaschine die sogenannte spannungshaltende Windungszahl der Statorspulen zu verändern bzw. zu reduzieren, und damit den Verlauf des maximalen Drehmoments über der Drehzahl und den Wirkungsgrad der Elektromaschine über alle Betriebspunkte zu verändern und anzupassen. Hierdurch werden unter anderem die elektrische Effektivität und die mechanische Antriebsleistung über alle Betriebspunkte verbessert. Bezogen auf eine einzige Statorspule können jeweils auch mehrere Verbindungsschalter vorgesehen sein, sodass die Anzahl der elektrisch effektiven Windungen der Statorspulen in mehreren Stufen verändert werden kann.
Vorzugsweise werden die Verbindungsschalter jeweils von Leistungs-Halbleitern gebildet. Leistungs-Halbleiter haben neben ihrer hohen Lebensdauer den Vorteil, dass sie sehr schnell geschaltet werden können, sodass während des laufenden Betriebs der betreffenden Elektromaschine die Anzahl der elektrisch effektiven Windungen der Statorspulen des Motorstators verändert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verbindungsschalter jeweils einen Steuerungsanschluss auf, wobei die Steuerungsanschlüsse mehrerer Verbindungsschalter durch eine einzige elektrische Ring-Schaltleitung elektrisch miteinander verbunden sind. Auf diese Weise können die betreffenden Verbindungsschalter exakt synchron miteinander geöffnet oder geschlossen werden. Auf diese Weise können beispielsweise alle Statorspulen exakt gleichzeitig bezüglich der Anzahl ihrer elektrisch effektiven Windungen umgeschaltet werden.
Vorzugsweise sind die Verbindungsschalter und gegebenenfalls auch die Ring-Schaltleitung in einem elektrisch nicht-leitenden Integrationsring eingelassen, und sind vorzugsweise in einem Kunststoff-Integrationsring vergossen. Hierdurch werden die Verbindungsschalter und die Formstab-Axialenden, besonders bevorzugt alle Formstab-Axialenden, mechanisch geschützt und gegeneinander abgestützt und fixiert. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Integrationsring an einer statischen Ringstütze radial abgestützt ist. Das Gewicht bzw. die Masse des Integrationsrings einschließlich der Verbindungsschalter und der freien Axialenden der Formstäbe kann also nicht schwingen, sondern ist statisch abgestützt.
Erfindungsgemäß sind die Verbindungsschalter in einer Querebene liegend jeweils im Wesentlichen zwischen den Formstab-Axialenden angeordnet. Die axiale Länge des Motorstators wird durch die Anwesenheit der Verbindungsschalter also nicht nennenswert verändert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Halteklammer vorgesehen, die die beiden betreffenden Formstab-Axialenden und den dazwischen angeordneten Verbindungsschalter klammerartig umfasst und zusammenhält. Hierdurch wird zwischen den Formstab-Axialenden und dem Verbindungsschalter eine Anpresskraft dauerhaft realisiert, sodass die elektrischen Übergangswiderstände in diesem Bereich dauerhaft gering gehalten werden.
Ergänzend zu den Kurzschluss-Verbindungsschaltern können weitere Verbindungsschalter vorgesehen sein, die derart mit den Formstab-Schweißpunkten verbunden sind, dass zwischen einem elektrischen Stern- und einem Dreiecksbetrieb umgeschaltet werden kann.
Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt eines Längsendes eines ersten Ausführungsbeispiels eines Elektromaschinen-Motorstators, wobei radial zwischen den Formstab-Axialenden jeweils Verbindungsschalter angeordnet sind,
2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektromaschinen-Motorstators,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Elektromaschinen-Motorstators, wobei die Verbindungsschalter jeweils axial versetzt zu den Formstab-Axialenden angeordnet sind,
4 schematisch die elektrische Verschaltung einer Statorspule mit mehreren Windungen und einem Verbindungsschalter, der im geschlossenen Schaltzustand einige der Windungen kurzschließt, und
5 eine Anordnung bestehend aus einem Paar Formstab-Axialenden, einem Verbindungsschalter dazwischen und einer alle genannten Teile zusammenhaltenden Halteklammer.

In der 2 ist perspektivisch ein Elektromaschinen-Motorstator 10 mit mehreren Statorspulen 20 dargestellt, wobei jede Statorspule 20 jeweils mehrere Windungen 24,25 aufweist. Der Motorstator 10 weist an seinen beiden Längsenden jeweils einen Spulenkopf 21,22 auf, an dem jeweils die Axialenden 31,32 einer Vielzahl axialer Formstäbe 30 aus einem ferromagnetischen Statorkörper 28 axial herausragen. Die Formstäbe 30 werden von sogenannten Hairpins gebildet.
In der 2 ist ein Spulenkopf 21 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Formstäbe 30 sind nach einem bestimmten Schema an ihren beiden Längsenden jeweils so miteinander verbunden bzw. verschweißt, dass sie jeweils mehrere Statorspulen 20, beispielsweise drei Statorspulen 20 mit jeweils einer gleichen Anzahl an Statorspulen-Windungen 24,25 bilden. Dies ist schematisch in der 4 am Beispiel einer Statorspule 20 dargestellt. Die in der 2 dargestellten Formstäbe 30 bzw. ihre Axialenden 31,32 sind jeweils paarweise durch entsprechende Schweißpunkte 26 dauerhaft elektrisch miteinander verbunden.
Über den Umfang verteilt sind mindestens drei elektrische Verbindungsschalter 40 ringartig verteilt angeordnet, die jeweils zwei bestimmte Formstab-Axialenden 32 miteinander verbinden. Jeder Verbindungsschalter 40 wird jeweils von einem Leistungs-Halbleiter 42 gebildet, kann alternativ auch von mehreren zueinander parallel geschalteten Leistungs-Halbleitern 42 gebildet sein. Jeder Verbindungsschalter 40 weist einen Steuerungsanschluss 44 auf, über den der Verbindungsschalter 40 mit einem entsprechenden Steuerungssignal geöffnet oder geschlossen werden kann. Das Steuerungssignal wird von einer Motorsteuerung 90 generiert, von der aus das Steuerungssignal in eine Ring-Schaltleitung 50 eingespeist wird, an die die Steuerungsanschlüsse 44 mehrerer Verbindungsschalter 40 elektrisch angeschlossen sind.
In dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsschalter 40 in einer Querebene radial zwischen den betreffenden Formstab-Axialenden 32 liegend angeordnet, sodass die axiale Gesamtlänge des Motorstators 10 durch die Verbindungsschalter 40 nicht nennenswert vergrößert wird. In der 5, die eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Stirnseite des Spulenkopfes 21 zeigt, ist eine rechteckige ringförmig geschlossene Halteklammer 80 dargestellt, die die Formstab-Axialenden 32 und einen Verbindungsschalter 40 dazwischen zusammenhält. Die Halteklammer 80 wird von einem elektrisch nicht-leitenden Klammerkörper 82 gebildet.
In dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsschalter 40' nicht zwischen den betreffenden Formstab-Axialenden 32, sondern axial an die Formstab-Axialenden 32 angrenzend angeordnet, und sind mit diesen jeweils über entsprechende Verbindungsklammern 68 elektrisch verbunden.
Wie in den 1-3 dargestellt, sind an dem die Verbindungsschalter 40 aufweisenden Spulenkopf 21 alle Formstab-Axialenden 31,32, die Verbindungsschalter 40 und die Ring-Schaltleitung 50 in einem elektrisch nicht-leitenden kreisringförmigen Integrationsring 70 vergossen, der aus Kunststoff besteht. Der Integrationsring 70 ist an einer innenzylindrischen Stützfläche 76 einer kreisringförmigen statischen Ringstütze 74 radial abgestützt.

Claims

Elektromaschinen-Motorstator (10) mit mehreren Statorspulen (20) mit jeweils mehreren Windungen (24,25), wobei die Windungen (24,25) jeweils von mehreren axialen Formstäben (30) gebildet sind, deren Axialenden (31,32) zur Bildung der Windungen (24,25) an den beiden endseitigen Motorstator-Spulenköpfen (21,22) an Schweißpunkten (26) dauerhaft elektrisch miteinander verbunden sind, wobei an mindestens einem Spulenkopf (21) mehrere elektrische Verbindungsschalter (40; 40') ringartig verteilt angeordnet sind, die jeweils zwei Formstab-Axialenden (32) elektrisch schaltbar miteinander verbinden, wobei die Verbindungsschalter (40; 40') jeweils mindestens eine Windung (25) einer Statorspule (20) elektrisch kurzschließen, und wobei die Verbindungsschalter (40) im Wesentlichen in einer Querebene zwischen den Formstab-Axialenden (32) angeordnet sind.
Elektromaschinen-Motorstator (10) nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsschalter (40; 40') jeweils von Leistungs-Halbleitern (42) gebildet sind.
Elektromaschinen-Motorstator (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Verbindungsschalter (40; 40') jeweils einen Steuerungsanschluss (44) aufweisen, wobei die Steuerungsanschlüsse (44) mehrerer Verbindungsschalter (40) durch eine einzige elektrische Ring-Schaltleitung (50) elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektromaschinen-Motorstator (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Verbindungsschalter (40; 40') in einem elektrisch nicht-leitenden Integrationsring (70) eingelassen sind, und vorzugsweise in einem Kunststoff- Integrationsring (70) vergossen sind.
Elektromaschinen-Motorstator (10) nach Anspruch 4, wobei der Integrationsring (70) an einer statischen Ringstütze (74) radial abgestützt ist.
Elektromaschinen-Motorstator (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die beiden Formstab-Axialenden (32) und der die beiden Axialenden (32) verbindende Verbindungsschalter (40) von einer Halteklammer (80) zusammengehalten sind.
Elektromaschinen-Motorstator (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei weitere Verbindungsschalter vorgesehen sind, die derart mit den Formstab- Schweißpunkten verbunden sind, dass zwischen einem elektrischen Stern- und einem Dreiecksbetrieb umgeschaltet werden kann.