DE102020121380A1

DE102020121380A1 - Stator für eine elektrische Maschine, Verfahren zu seiner Herstellung, elektrische Maschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020121380A1
Application number: DE102020121380.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Reinlein; Sebastian Wachter; Jörg Schneider; Thomas Hubert; Falk Heilfort
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-02-17

Abstract

Die Erfindung stellt einen Stator für eine elektrische Maschine mit den folgenden Merkmalen bereit: Der Stator (10) weist eine Nut (11) auf; die Nut (11) wird von Wicklungen durchzogen; die Wicklungen bestehen an einem Grund der Nut (11) aus einem ersten elektrischen Leiter (12) und an einer Mündung der Nut (11) aus einem vom ersten Leiter (12) verschiedenen zweiten elektrischen Leiter (13); und der erste Leiter (12) besitzt eine geringere oder höhere elektrische Leitfähigkeit als der zweite Leiter (13).Die Erfindung stellt ferner ein entsprechendes Herstellungsverfahren, eine entsprechende Maschine sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Herstellungsverfahren, eine entsprechende Maschine sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Im Elektromaschinenbau wird unter dem Sammelbegriff der Spulenwickeltechnik jedwede Art und Methode des Aufwickelns elektrischer Leiter zu einer Spule verstanden. Als „Spulen“ sind hierbei nicht nur separate induktive passive Bauelemente zu verstehen; vielmehr erfasst der Begriff im vorliegenden Zusammenhang sämtliche Wicklungen und Wickelgüter, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen oder zu detektieren. Die Wicklungen von Aktoren, insbesondere des Stators und Rotors einer rotierenden elektrischen Maschine, werden in diesem weiteren Wortsinn nachfolgend ebenfalls als Spulen bezeichnet.
Die Wickeltechnik bestimmt somit wesentlich die Eigenschaften von wicklungsbehafteten, elektromechanischen Baugruppen. Dazu gehören die Isolationsfestigkeit, der Gütefaktor, die für eine bestimmte Leistung oder Magnetkraft erforderliche Größe oder auch das magnetische Streufeld. Weil die Anforderungen an die Energieeffizienz nach dem Stand der Technik stark zunehmen, wachsen insbesondere die Ansprüche an die Entwicklung von Bauteilen für elektromechanische Baugruppen wie Elektromotoren.
Wicklungen in Statoren und in Rotoren erfolgen üblicherweise vor allem mit vergleichsweise dünnen - typisch sind bis zu 2 mm Durchmesser - Einzeldrähten, die manuell oder von entsprechenden Wickel- und Einziehautomaten in Nuten des Stator- oder Rotoreisens eingebracht werden. Es ist bekannt, statt Einzeldrähten Stäbe in die Nuten einzubringen, diese Einzelstäbe zu formen und anschließend an den Enden zu einer kontinuierlichen Wicklung zu verbinden, beispielsweise zu verschweißen. Da nach dem Stand der Technik hierzu vor allem kurze U- oder V-förmige Einzelsegmente verwendet werden, die an Haarnadeln erinnern, werden derartige Stabwicklungen in Fachkreisen mitunter als Haarnadelleiter (hairpin conductors) bezeichnet (1).
Während Einzeldrahtwicklungen bei der Fertigung trotz hohen Automatisierungsgrades noch immer diverse manuelle Schritte erfordern, lassen sich Stabwicklungen vollautomatisch produzieren. Die Stäbe haben dabei üblicherweise einen rechteckigen Querschnitt und sind in gleichen Querschnitten in der Nut segmentiert. Stabwicklungen erlauben so eine bessere Ausnutzung der Nuten als Einzeldrähte, die auch bei dichter Packung Leerräume zurücklassen und wesentlichen Platzverlust durch Isolationsbeschichtung verursachen. Durch den höheren sogenannten Füllfaktor der Nuten lässt sich die Effizienz steigern.
Während bei Einzeldrähten Füllfaktoren von 40 % bis 50 % üblich sind, lassen sich mit Stabwicklungen bis zu 80 % erreichen. Durch die wohldefinierte Oberfläche und die größeren Abmessungen der Haarnadel- oder Stableiter ist eine verlässlichere Isolierung sowohl zwischen den Stäben als auch zwischen Stäben und Eisen möglich.
Das Ziel der Auslegung einer elektrischen Maschine ist in der Regel ein hoher Wirkungsgrad, der durch geringstmögliche Verluste erzielt wird. Zu vermeiden sind insbesondere Stromwärmeverluste im Stator, welche bei signifikanter Stromverdrängung an der Mündung der Nut in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator am höchsten sind. Hierzu wird ein geringer elektrischer Widerstand angestrebt, der neben dem Werkstoff durch die Verteilung der Stromdichte innerhalb der Wicklungen bestimmt wird. Fällt die Stromdichte innerhalb der Wicklungen ungleichmäßig aus, so kann der Gleichstromwiderstand durch sogenannte Stromverdrängungseffekte bereichsweise ansteigen.
Bei einem herkömmlichen Stator kommen etwa Kupfer oder Aluminium als Leiter zum Einsatz.
DE102016114569 A1 schlägt vor, bei einem Stator unterschiedliche Stromleitelemente in der Nut anzuordnen, wobei das Stromleitelement mit der geringeren elektrischen Leitfähigkeit auf der dem Luftspalt zugewandten Seite der Nut angeordnet ist.
Auch aus DE112013007001 B4 ist ein Stator mit Wicklungen aus unterschiedlichen Leitermaterialien bekannt.
DE102013223785 B4 , DE102014210339 A1 , DE102015208196 A1 sowie DE102017200980 A1 betreffen entsprechende Rotoren.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt einen Stator für eine elektrische Maschine, ein entsprechendes Herstellungsverfahren, eine entsprechende elektrische Maschine sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Diese Lösung fußt auf dem Grundgedanken, Wicklungen, die aufgrund der besagten Stromverdrängung einen hohen Wechselstromwiderstand besitzen, aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit und Wicklungen, die eine geringere Stromverdrängung erfahren, aus einem Material geringerer elektrischer Leitfähigkeit zu fertigen oder umgekehrt. Ein sogenanntes additives Herstellungsverfahren erweist sich für eine solche Kombination als besonders geeignet.
Der erfindungsgemäße Stator verleiht der mit ihm ausgerüsteten elektrischen Maschine durch seine geringen Verluste einen hohen Wirkungsgrad. Durch die geringere Abwärme gestattet er gleichzeitig eine Verringerung der Kühlleistung und vermeidet die Leistungsherabsetzung (derating) der Maschine. Durch die Erhöhung der Leistungsdichte erlaubt er darüber hinaus die Erfüllung einer gegebenen Leistungsanforderung auf kleinstem Bauraum und mit geringem Gewicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann am Grund der Nut etwa Aluminium, an deren Mündung dagegen Kupfer als Leiter Verwendung finden oder umgekehrt. Ein Vorzug dieser Werkstoffkombination liegt in der durch sie erzielten Kostenersparnis, da Aluminium günstiger ist als Kupfer.
Ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Maschine zeichnet sich durch seine entsprechend hohe Reichweite aus.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt den Teilschnitt eines innengenuteten Stators nach dem Stand der Technik.
2 zeigt den Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Stators im Bereich seiner Nut.

Ausführungsformen der Erfindung
Als Ausführungsbeispiel mag eine als Innenläufer ausgebildete Elektromaschine mit Hairpin- oder Stabwicklung dienen. Dabei weist der Stator (10) der Elektromaschine Nuten (11) der in 2 beleuchteten Art auf, in die jeweils mehrere massive Stromleitelemente eingelegt und zu Wicklungen verbunden werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, am Luftspalt - also radial innen gesehen - Stromleitelemente aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit, am Grund der Nut (11) - also radial außen gesehen - dagegen Stromleitelemente aus einem Material mittlerer elektrischer Leitfähigkeit einzusetzen oder umgekehrt.
Im dargestellten Beispiel etwa bestehen fünf am Grund der Nut (11) angeordnete rechteckige Leiterstäbe (12) aus Aluminium, drei an der Mündung der Nut (11) angeordnete Stäbe (13) jedoch aus Kupfer oder umgekehrt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016114569 A1 [0009]
DE 112013007001 B4 [0010]
DE 102013223785 B4 [0011]
DE 102014210339 A1 [0011]
DE 102015208196 A1 [0011]
DE 102017200980 A1 [0011]

Claims

Stator (10) für eine elektrische Maschine, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Stator (10) weist eine Nut (11) auf, - die Nut (11) wird von Wicklungen durchzogen, - die Wicklungen bestehen an einem Grund der Nut (11) aus einem ersten elektrischen Leiter (12) und an einer Mündung der Nut (11) aus einem vom ersten Leiter (12) verschiedenen zweiten elektrischen Leiter (13) und - der erste Leiter (12) besitzt eine geringere oder höhere elektrische Leitfähigkeit als der zweite Leiter (13).
Stator (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der erste Leiter (12) ist Aluminium.
Stator (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der zweite Leiter (13) ist Kupfer.
Stator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Wicklungen werden durch Leiterstäbe trapezförmigen, insbesondere rechteckigen Querschnitts gebildet.
Stator (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - eine Mehrzahl der Leiterstäbe bestehen aus dem ersten Leiter (12).
Stator (10) nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - eine Minderzahl der Leiterstäbe bestehen aus dem zweiten Leiter (13).
Stator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Nut (11) ist innenseitig am Stator (10) vorgesehen.
Verfahren zur Herstellung eines Stators (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Herstellung erfolgt additiv.
Elektrische Maschine, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Maschine umfasst einen außenliegenden Stator (10) nach Anspruch 7 und - die Maschine umfasst einen innenliegenden Rotor.
Kraftfahrzeug mit einer Maschine nach Anspruch 9.