DE102020211257A1

DE102020211257A1 - Herstellverfahren für eine Statoranordnung einer elektrischen Maschine, sowie Statoranordnung

Info

Publication number: DE102020211257A1
Application number: DE102020211257.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Schneider; Christian Specht
Original assignee: Magna PT BV and Co KG
Current assignee: Magna PT BV and Co KG
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2022-03-10

Abstract

Es wird ein Herstellverfahren für eine Statoranordnung einer elektrischen Maschine vorgeschlagen mit Blechmaterial mit darin ausgebildeten Statorzähnen mit Wicklungsschlitzen mit Leitern und zwischen den Leitern angeordnetem Isolationsmaterial und Kühlkanälen, wobei die Statoranordnung Wickelköpfe aus Verbindungsleitungen zwischen Leitern aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für eine Statoranordnung einer elektrischen Maschine mit einem Blechmaterial mit darin ausgebildeten Statorzähnen mit Wicklungsschlitzen mit Leitern und zwischen den Leitern angeordnetem Isolationsmaterial und Kühlkanälen, wobei die Statoranordnung Wickelköpfe aus Verbindungsleitungen zwischen Leitern aufweist.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Statoranordnung, die mit dem Herstellverfahren erzeugt wird.
Stand der Technik
Mit dem heutigen Stand der Technik der verteilten Wickeltechnologien für Runddrähte ist es nicht möglich die Wicklungen von Runddrähten einer festen Position zuzuordnen. Entlang der axialen Richtung gibt es immer Toleranzen bezüglich der Leiterpositionen.
Aufgrund der oben genannten Toleranzen wird der Kupferfüllfaktor reduziert. Weiterhin führt die Unkenntnis der genauen Leiterposition zu Ungenauigkeiten bei elektrischen Maschinen-Simulationsmodellen.
EP 2 983 274 B1 zeigt eine Wicklungskonfiguration für eine elektrische Maschine mit einem Statorkern mit mehreren Wicklungsschlitzen, mehreren Leitersträngen, die in mehreren Wicklungsschlitzen verteilt sind, und einer Isolationsmatrix, die jeden Leiterstrang umgibt. Der Wicklungsschlitz enthält einen Schlitzhohlraum mit einer Querschnittsfläche. Die darin verteilten Leiterstränge sind konfiguriert, um den Kupferfüllfaktor zu maximieren.
Die Leiterstränge können unterschiedlich geformte Querschnitte aufweisen, um den Querschnitt der Wicklungsschlitze optimal zu füllen.
Gleichzeitig werden hohle Bereiche konfiguriert, um einen Kanal zum Transportieren von Kühlmittel auf Fluidbasis durch den Wicklungsschlitz bereitzustellen.
Die Fertigung des Leiters und der Isoliermatrix können in additiver Fertigung hergestellt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die additive Fertigung verwendet werden, um jeden der Leiterstränge mit einem gewünschten Querschnitt in dem Schlitzhohlraum abzuscheiden, und die Isolationsmatrix kann anschließend unter Verwendung eines anderen Verfahrens als der additiven Fertigung eingeführt werden. In einer Ausführungsform kann eine integrierte additive Fertigung verwendet werden, um die Herstellung von Leiterlitzen einzubeziehen, die in die Herstellung der Isolationsmatrix integriert ist. Die Statorschlitze können einzeln hergestellt werden. Der Stator kann dann mit Eisenkernschichten zusammengebaut werden oder es kann eine additive Fertigung verwendet werden, um die Schlitze und den Kern gleichzeitig herzustellen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Herstellverfahren für die Herstellung von Wicklungen, Kühlkanälen und Isolation in Wicklungsschlitzen sowie der Wicklungsköpfe bereitzustellen, das hochintegriert und einfach ist.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Herstellverfahren für eine Statoranordnung einer elektrischen Maschine mit Blechmaterial mit darin ausgebildeten Statorzähnen mit Wicklungsschlitzen mit Leitern und zwischen den Leitern angeordnetem Isolationsmaterial und Kühlkanälen, wobei die Statoranordnung Wickelköpfe aus Verbindungsleitungen zwischen Leitern aufweist, wobei die Wickelköpfe mit 3D-Druck in einem 3D-Drucker direkt auf der Statoranordnung hergestellt werden.
Durch das Herstellverfahren kann die Baulänge der Statoranordnung deutlich verkürzt werden.
Als Blechmaterial wird sowohl eine Stapelung von Statorblechen aus Elektrostahl verstanden als auch amorphes Material, das gesintert werden kann.
Es ist für die Reduktion der Baulänge vorteilhaft, dass die Verbindungsleitungen sich in einem ersten Bereich radial zur Statorachse erstrecken, nahezu rechtwinkig abknicken und sich dann kreisbogenförmig zwischen zwei Leitern entlang des Umfangs des Blechmaterials erstrecken.
Die Herstellung kann auf Basis einer konventionellen Herstellung aus Blechstapeln und darin eingeführten Leitern unter Verwendung von Isolationsmaterial ausgeführt werden.
Besonders vorteilhaft ist das Herstellverfahren, wenn die Statoranordnung in 3D-Druck unter Verwendung von Leitermaterial, Isolationsmaterial und Metall gedruckt wird.
Besonders vorteilhat ist, dass die Leitungen ohne eine zusätzliche elektrische Leiterisolation hergestellt werden, was eine hohe Betriebstemperatur der Leiter erlaubt. Auch die thermische Anbindung wird dadurch verbessert.
Es ist von Vorteil, dass die Wicklungsschlitze von Leitern beliebiger Querschnitte ausgefüllt werden und so einen hohen Kupferfüllfaktor erreichen.
Kühlkanäle beliebiger Querschnitte werden in den Wicklungsschlitzen hergestellt.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer Statoranordnung, die nach den Herstellverfahren erzeugt wird.
Figurenliste

1 zeigt Aufsicht auf den Querschnitt eines Stators,
2 zeigt exemplarische Statorzähne,
3 zeigt exemplarisch einen Statorzahn,
4 zeigt die Schritte eines Herstellverfahrens,
5 zeigt ein alternatives Herstellverfahren.

1 zeigt eine Ansicht auf eine Statoranordnung 1 entlang der Statorachse S. Die Statoranordnung 1 weist ein Blechmaterial 3 auf, das einen Außendurchmesser 3a und einen Innendurchmesser 3b zeigt.
In einem konventionellen Aufbau ist das Blechmaterial 3 aus einzelnen Blechen ausgebildet, die aufeinander gestapelt einen Blechstapelkörper herstellen. Das Blechmaterial 3 weist Ausnehmungen als Wicklungsschlitze 2 auf, die radial ausgebildet zwischen den zurückbleibenden Statorzähnen 3c ausgebildet sind.
Innerhalb der Wicklungsschlitze 2 sind Leiter 5 parallel zur Statorachse 5 angeordnet.
Der Blick auf die Statoranordnung 1 ist ein Blick auf den Wickelkopf in der x-y Ebene, der die senkrecht zu der x-y-Ebene verbauten Leiter 5 elektrisch miteinander verbindet.
Beispielhaft ist eine Verbindungsleitung 4 zwischen zwei Leitern 5 dargestellt. Die Verbindungsleitung 4 erstreckt sich dabei entlang eines Kreisbogens innerhalb des Umfangs 3a des Blechmaterials. Die Verbindungsleitung 4 knickt rechtwinklig oder in einem spitzen Winkel radial nach innen in Richtung auf die Statorachse 5 ab und bildet einen radialen Bereich 4a aus.
In den 2 und 3 sind schematisch Anordnungen von Leitern 5 in den Wicklungsschlitzen 2 dargestellt. In 2 weisen die Leiter 5 quadratische Querschnitte auf, die den quadratischen Querschnitt des Wicklungsschlitzes 2 optimal ausfüllen. Zwischen den Leitern 5 sind Kühlleitungen 6 vorhanden. Diese können sich in der Größenordnung eines Leiters 5 oder über mehrere Positionen der Leitern 5 erstrecken. Die Ausdehnung der Kühlleitungen 6 entspricht den Erfordernissen zur Kühlung des elektrischen Motors. Zwischen den Elementen, den Leitern 5 und den Kühlleitungen 6 befindet sich Isolationsmaterial 7.
In der 3 werden trapezförmige Querschnitte der Leiter 5 verwendet. Mit diesen speziellen Leiterquerschnitten lässt sich ein trapezförmiger Wicklungsschlitz 2 optimal füllen. Dabei ist es auch möglich ein einseitiges Trapez zu verwenden und statt der beiden Trapezflächen 5a eine über 90° verbundene Fläche 5b einzusetzen. Der Kühlkanal 6 ist ebenfalls mit seinen Außenflanken an die Form des Wicklungsschlitz 2 angepasst.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der 4 schematisch dargestellt. Die ersten Schritte des Herstellungsprozesses verlaufen in dieser Ausführungsform noch konventionell.
Der Herstellprozess beginnt mit einer mit Leitermaterial, das von einer Rolle 10 gezogen wird und in einer Schneidstation 11 auf die richtige Länge gekürzt wird. Der Leiter 5 weist dabei den gewünschten Querschnitt auf. In einer weiteren Station 20 werden die Leiter 5 zu einem Paket gebündelt, das in die Wicklungsschlitze 2 der Statoranordnung 1 eingeführt wird.
Die Isolation zwischen den Leitern 5 kann dabei in jeder bekannten Art und Weise angebracht oder eingebracht werden. Beispielsweise können die Leiter bereits mit einer Isolationsschicht 7 versehen sein bevor sie zu einem Bündel verbunden und in den Wicklungsschlitz 2 eingeführt werden. Alternativ werden die Leiter 5 in den Wicklungsschlitz 2 eingebracht und ein Isolationsmaterial 7 zwischen den Leitern 5 verpresst oder eingespritzt.
Im nächsten Verfahrensschritt muss der Wickelkopf hergestellt werden.
Die Herstellung des Wickelkopfes, d.h. der Verbindungsleitungen 4 zwischen den Leitern 5 erfolgt mithilfe eines 3-D Druckers 12. Damit lassen sich die Verbindungsleitungen 4 mit Abknickungen im rechten oder spitzen Winkeln herstellen, so dass die Länge der Verbindungsleitungen 4 reduziert werden kann, da keine großen Radien einzuhalten sind.
Die Herstellung der Statoranordnung 1 beginnt somit mit der konventionellen Herstellung des Blechmaterials 3 und der Wicklungsschlitze 2 und der Leiter 5. Dabei können Leiter 5 unterschiedlicher Ausbildung wie einer Haarnadelausbildung oder u-förmige Ausbildung verwendet werden.
Der neue Schritt ist die Verwendung eines 3-D Druckers 12 zum Drucken der Verbindungsleitungen 4 und der Herstellung des finalen Wickelkopfes der Statoranordnung 1.
Um das Herstellungsverfahren weiter zu vereinfachen und zu optimieren wird der Nutinhalt der Statoranordnung 1 nach der Ausführungsform der 5 vollständig im 3-D Drucker 12 hergestellt. Dazu wird ein Druckkopf 13 mit Zuleitungen 14 verwendet, die sowohl das Material der Leiter 14_5, als auch des Isolationsmaterials 14_7 in den 3-D Drucker 12 einführen.
Beispielhaft ist auch eine Zuleitung 14_3 für das Blechmaterial dargestellt. Allerdings ist es heutzutage noch nicht möglich, die Bleche im 3D-Druck herzustellen, ohne dass, zu einer Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften der Bleche bzw des Blechmaterials führt. Sobald hier technologische Fortschritte erzielt wird, wird einen Gesamtherstellung des Stators möglich.
Aktuell wird das Herstellverfahren aber noch anders ausgeführt. Schichtweise werden einzelne Bleche für den Stator aufgeschichtet und Leiter 5 und Isolation 7 in diese sukzessive gedruckt. Die Verbindungsleitungen 4 der Wickelköpfe werden abschließend in additiver Fertigung angebracht.
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

EP 2983274 B1 [0005]

Claims

Herstellverfahren für eine Statoranordnung (1) einer elektrischen Maschine mit Blechmaterial (3) mit darin ausgebildeten Statorzähnen (3c) mit Wicklungsschlitzen (2) mit Leitern (5) und zwischen den Leitern (5) angeordnetem Isolationsmaterial (7) und Kühlkanälen (6), wobei die Statoranordnung (1) Wickelköpfe aus Verbindungsleitungen (4) zwischen Leitern (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelköpfe mit 3D-Druck in einem 3D-Drucker (12) direkt auf der Statoranordnung (1) hergestellt werden.
Herstellverfahren für eine Statoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (4) in einem ersten Bereich (4a) radial zur Statorachse (S) hergestellt werden, nahezu rechtwinkig abknicken und sich dann kreisbogenförmig zwischen zwei Leitern (5) entlang des Umfangs (3a) des Blechmaterials (3) erstrecken.
Herstellverfahren für eine Statoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoranordnung (1) aus Blechstapeln und in Wicklungsschlitze (2) eingeführten Leitern (5) unter Verwendung von Isolationsmaterial (7) hergestellt wird.
Herstellverfahren für eine Statoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoranordnung (1) aus Blechstapeln hergestellt wird und Leitern (5) und Isolation (7) in 3D-Druck in den Wicklungsschlitzen (2) unter Verwendung von Leitermaterial (14_5) und Isolationsmaterial (14_7) gedruckt werden.
Herstellverfahren für eine Statoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoranordnung (1) in 3D-Druck unter Verwendung von Leitermaterial (14_5) und Isolationsmaterial (14_7) und Eisenmaterial (14_3) gedruckt werden.
Herstellverfahren für eine Statoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (4) in 3D-Druck unter Verwendung von Leitermaterial und Isolationsmaterial gedruckt werden.
Herstellverfahren für eine Statoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsschlitze (2) von Leitern (5) beliebiger Querschnitte ausgefüllt werden.
Herstellverfahren für eine Statoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass Kühlkanäle (6) beliebiger Querschnitte in den Wicklungsschlitzen (2) hergestellt werden.
Statoranordnung (1), die nach den Herstellverfahren nach Anspruch 1 bis 8 erzeugt wird.