DE102020128431A1

DE102020128431A1 - Traktionsmotor für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102020128431A1
Application number: DE102020128431.4A
Authority: DE
Inventors: David Bauer; Josef Dubsky; Tobias Engelhardt
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-05-05
Also published as: CN114430205A; US11949285B2; US20220140667A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (100) für ein Fahrzeug, mit einem Statorkörper (102), wobei der Statorkörper (102) abwechselnd Statorzähne (112) und Statornuten (114) mit darin angeordneten Leiterelementen (116) aufweist, wobei am Statorkörper (102) radial außerhalb der Statornuten (114) und der Statorzähne (112) ein Jochabschnitt (118) mit einer sich radial erstreckenden Jochhöhe (120) ausgebildet ist, wobei der Statorkörper (102) einen Statoraußenradius (122) aufweist, und wobei das Verhältnis (v1) der Jochhöhe (120) bezogen auf den Statoraußenradius (122) zwischen 0,20 und 0,28 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug.
US 9,755,463 B2 offenbart eine elektrische Maschine mit einem ersten Träger mit elektromagnetischen Elementen und einem zweiten Träger mit elektromagnetischen Elementen, wobei sich der zweite Träger relativ zum ersten Träger bewegen kann. Die elektrische Maschine weist eine hohe Stromdichte auf, verfügt jedoch über einen komplexen Aufbau.
DE 10 2018 112 347 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Statorblechpaket, wobei im Statorblechpaket Leiterelemente angeordnet sind, die mittels Kühlmittelkanälen gekühlt sind. Dies begünstigt hohe Stromdichten, allerdings besteht auch hier Optimierungspotential.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine demgegenüber verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen. Es ist wünschenswert, mit konstruktiv einfachen Mitteln eine elektrische Maschine mit vergleichsweise hoher Stromdichte und einer erhöhten Effizienz bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 gelöst.
Die elektrische Maschine dient für ein Fahrzeug. Die elektrische Maschine weist einen Statorkörper (Statorblechpaket) auf, wobei der Statorkörper (entlang einer Umfangsrichtung) abwechselnd Statorzähne und Statornuten aufweist, wobei in den Statornuten jeweils ein oder mehrere Leiterelemente angeordnet sind. Am Statorkörper ist radial außerhalb der Statornuten und der Statorzähne ein Jochabschnitt mit einer sich radial erstreckenden Jochhöhe ausgebildet. Der Statorkörper weist einen Statoraußenradius auf. Das Verhältnis v₁ der Jochhöhe bezogen auf den Statoraußenradius beträgt zwischen 0,20 und 0,28 (0,20 ≤ Verhältnis v₁ ≤ 0,28).
Die vergleichsweise große Jochhöhe begünstigt eine hohe Effizienz der elektrischen Maschine, die durch einen erhöhten Blechanteil im Stator und somit einer vergleichsweise hohen Stromdichte erreicht wird. Dies führt zu einer Reduktion der Eisenverluste und damit einer erhöhten Effizienz der elektrischen Maschine.
Bei der elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um einen Traktionsmotor für ein Fahrzeug. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein teilelektrisch oder vollelektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (Elektrofahrzeug). Bei den Leiterelementen handelt es sich insbesondere um Statorwicklungen.
Vorzugsweise kann der Statorkörper einen Statorinnenradius aufweisen, wobei das Verhältnis v₂ des Statorinnenradius bezogen auf den Statoraußenradius zwischen 0,58 und 0,66 beträgt (0,58 ≤ Verhältnis v₂ ≤ 0,66). Somit ergibt sich ein vergleichsweise geringer Statorinnenradius. Dies führt wiederum zu einem erhöhten Blechanteil im Stator, was die Effizienz steigert. Durch den geringen Statorinnenradius kann der Rotoraußenradius geringgehalten werden, was zu reduzierten Reibungsverlusten und damit zu einer gesteigerten Effizienz führt. Der Statoraußenradius kann vergleichsweise geringgehalten werden. Bspw. kann der Statoraußenradius zwischen 75mm bis 150mm (Millimeter) betragen.
Vorzugsweise können am Statorkörper pro Pol und pro Strang (eine Statorwicklung) zwei Statornuten oder drei Statornuten vorgesehen sein bzw. durchlaufen werden. Mehrere Leiterelemente können einen bzw. den Strang (eine Statorwicklung) bilden. Mit anderen Worten beträgt die Lochzahl (Anzahl Statornuten pro Pol und Strang) q = 2 oder q = 3. Dies führt zu Effizienzvorteilen und einem kompakten Bauraum.
Vorzugsweise kann das Verhältnis v₃ der Statorzahnbreite zur Statornutbreite, insbesondere bei zwei Statornuten pro Pol und pro Strang, zwischen 0,55 und 0,8 betragen betragen (0,55 ≤ Verhältnis v₃ ≤ 0,8). Alternativ kann das Verhältnis v₃ der Statorzahnbreite zur Statornutbreite, insbesondere bei drei Statornuten pro Pol und pro Strang, zwischen 1,15 und 1,6 betragen (1,15 ≤ Verhältnis v₃ ≤ 1,6). Dadurch kann eine große Statorzahnbreite erreicht werden, hingegen ist die Statornutbreite vergleichsweise gering. Es kann somit ein erhöhter Blechanteil erreicht werden, welcher die Eisenverluste reduziert. Damit geht eine hohe Stromdichte einher. Die elektrische Maschine ist, bspw. durch Abstimmung des Verhältnisses v₃, insbesondere derart eingerichtet, dass eine maximale Stromdichte von größer als 40 A/mm² (Ampere/Quadratmillimeter) erreicht wird. Der Energieverbrauch kann in weiten Teilen des Betriebskennfeldes, speziell im Bereich des täglichen Nutzens eines Fahrzeugs, gesenkt werden.
Vorzugsweise kann die elektrische Maschine eine Polpaarzahl p von p = 3 (3 Polpaare, also insgesamt 6 Pole) aufweisen. Damit kann eine hinreichend hohe Polpaarzahl bei vergleichsweise kompaktem Bauraum erreicht werden. Die vergleichsweise geringe Frequenz der Polpaarzahl von p =3 bietet Effizienzvorteile, insbesondere im Zusammenhang mit den oben angegebenen geometrischen Verhältnissen.
Vorzugsweise kann am radial inneren Ende der Statorzähne jeweils ein Zahnkopf mit einem bezogen auf die Statorzähne (bzw. den Statorzahnquerschnitt außerhalb des Zahnkopfs) jeweils vergrößerten Querschnitt aufweisen. Dies begünstigt regelmäßig eine höhere Effizienz und eine hohe Stromdichte. Die Zahnköpfe können sich jeweils radial entlang einer definierten Zahnkopfhöhe erstrecken.
Vorzugsweise kann die elektrische Maschine einen Rotor mit einem Rotoraußenradius aufweisen, wobei der Rotoraußenradius um eine radial orientierte Luftspalthöhe (Abstand zwischen Innenfläche bzw. Statorinnenradius des Stators und Außenfläche bzw. Rotoraußenradius des Rotors) geringer ist als der Statorinnenradius.
Vorzugsweise können die Leiterelemente direkt gekühlt sein. Somit ist auch bei hoher Stromdichte eine hinreichende Kühlung möglich. Es kann eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, die die Leiterelemente zur Kühlung mittels eines Kühlmediums umströmt. Eine Umströmung der Leiterelemente mit dem Kühlmedium, insbesondere mit Öl, kann jeweils nur am Wickelkopf (axial aus dem Statorkörper herausragende Abschnitte der Leiterelemente) oder jeweils am Wickelkopf und innerhalb der Statornut erfolgen. Somit kann die Kühleinrichtung zur Bereitstellung von Kühlmedium jeweils am Wickelkopf und/oder an der Statornut vorgesehen sein. Alternativ oder ergänzend ist denkbar, dass innerhalb der Statornut jeweils Kühlkanäle, insbesondere Wasserkanäle, ausgebildet sind.
Vorzugsweise kann die elektrische Maschine als permanenterregte Synchronmaschine oder als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

1 schematisch einen Teilschnitt durch eine elektrische Maschine.

In 1 ist schematisch ein Segment S bzw. ein Teilschnitt (Querschnitt) durch eine elektrische Maschine 100 dargestellt.
Die elektrische Maschine 100 weist einen Statorkörper 102 und einen Rotor 104 auf. Der Statorkörper 102 umgibt den Rotor 104 nach radial außen, wobei der Statorkörper 102 und der Rotor 104 durch einen Luftspalt 106 voneinander getrennt sind. Im Rotor 104 sind im Beispiel mehrere Magnete 108 angeordnet, die optional mit Lufttaschen 110 ausgestattet sind.
Der Statorkörper 102 weist entlang einer Umfangsrichtung abwechselnd Statorzähne 112 und Statornuten 114 mit darin angeordneten Leiterelementen 116 auf. Am Statorkörper 102 ist radial außerhalb der Statornuten 114 und der Statorzähne 112 ein Jochabschnitt 118 mit einer sich radial erstreckenden Jochhöhe 120 ausgebildet, wobei der Statorkörper 102 einen Statoraußenradius 122 aufweist. Das Verhältnis v₁ der Jochhöhe 120 bezogen auf den Statoraußenradius 122 beträgt im Beispiel zwischen 0,20 und 0,28 (0,20 ≤ v₁ ≤ 0,28).
Der Statorkörper 102 weist einen Statorinnenradius 124 auf. Das Verhältnis v₂ des Statorinnenradius 124 bezogen auf den Statoraußenradius 122 beträgt im Beispiel zwischen 0,58 und 0,66 (0,58 ≤ v₂ ≤ 0,66).
Die Statorzähne 112 weisen jeweils eine Statorzahnbreite 126 auf. Die Statornuten 114 weisen jeweils eine Statornutbreite 128 auf. Im Beispiel beträgt das Verhältnis v₃ der Statorzahnbreite 126 zur Statornutbreite 128 zwischen 1,15 und 1,6 (1,15 ≤ v₃ ≤ 1,6).
Die elektrische Maschine 100 weist im Beispiel eine Polpaarzahl p von p = 3 auf (insgesamt 6 Pole) auf. Am Statorkörper 102 sind pro Pol und den Leiterelementen 116, die einen Strang bzw. eine Leiterwicklung bilden, im Beispiel drei Statornuten 114 vorgesehen (in 1 entsprechen drei gleich dargestellte Statornuten 114 einem Strang). Mit anderen Worten beträgt die Lochzahl (Anzahl Statornuten 114 pro Pol und Strang) q = 3.
Am radial inneren Ende der Statorzähne 112 ist jeweils ein Zahnkopf 130 mit einem bezogen auf die Statorzähne 112 jeweils vergrößerten Querschnitt ausgebildet. Die Zahnköpfe 130 erstecken sich jeweils entlang einer definierten Zahnkopfhöhe 132.
Der Rotor 104 weist einen Rotoraußenradius 134 auf, wobei der Rotoraußenradius 134 um eine radial orientierte Höhe 136 des Luftspalts 106 (Luftspalthöhe 136) geringer ist als der Statorinnenradius 124.
Die Leiterelemente 116 können direkt gekühlt sein, wie oben beschrieben.
Die elektrische Maschine 100 kann als permanenterregte Synchronmaschine oder als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9755463 B2 [0002]
DE 102018112347 A1 [0003]

Claims

Elektrische Maschine (100) für ein Fahrzeug, mit einem Statorkörper (102), wobei der Statorkörper (102) abwechselnd Statorzähne (112) und Statornuten (114) mit darin angeordneten Leiterelementen (116) aufweist, wobei am Statorkörper (102) radial außerhalb der Statornuten (114) und der Statorzähne (112) ein Jochabschnitt (118) mit einer sich radial erstreckenden Jochhöhe (120) ausgebildet ist, wobei der Statorkörper (102) einen Statoraußenradius (122) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (v₁) der Jochhöhe (120) bezogen auf den Statoraußenradius (122) zwischen 0,20 und 0,28 beträgt.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, wobei der Statorkörper (102) einen Statorinnenradius (124) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (v₂) des Statorinnenradius (124) bezogen auf den Statoraußenradius (122) zwischen 0,58 und 0,66 beträgt.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Statorkörper (102) pro Pol und pro Strang zwei oder drei Statornuten (114) vorgesehen sind.
Elektrische Maschine (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (v₃) der Statorzahnbreite (126) zur Statornutbreite (128), insbesondere bei zwei Statornuten (114) pro Pol und pro Strang, zwischen 0,55 und 0,8 beträgt oder dass das Verhältnis (v₃) der Statorzahnbreite (126) zur Statornutbreite (128), insbesondere bei drei Statornuten (114) pro Pol und pro Strang, zwischen 1,15 und 1,6 beträgt.
Elektrische Maschine (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (100) eine Polpaarzahl (p) von p = 3 aufweist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am radial inneren Ende der Statorzähne (112) jeweils ein Zahnkopf (130) mit einem bezogen auf die Statorzähne (112) jeweils vergrößerten Querschnitt ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (100) einen Rotor (104) mit einem Rotoraußenradius (134) aufweist, wobei der Rotoraußenradius (134) um eine radial orientierte Luftspalthöhe (136) geringer ist als der Statorinnenradius (124).
Elektrische Maschine (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente (116) direkt gekühlt sind.
Elektrische Maschine (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (100) als permanenterregte Synchronmaschine oder als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet ist.