-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Stator für eine als Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug ausgebildete elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper mit einer Vielzahl von Statorzähnen, eine Mehrzahl von Statorwicklungen, sowie einen Verschaltungsring mit einem Verschaltungsringgehäuse aus elektrisch isolierendem Material. Dabei sind in kreisringförmigen Gehäusenuten einzelne Ringleiter (insbesondere Ringleiter für jede Phase sowie für einen gemeinsamen Sternpunkt) angeordnet. Diese Ringleiter dienen für die elektrische Kontaktierung von Wicklungsdrahtenden einzelner Statorwicklungen als auch für die elektrische Kontaktierung von Stromschienen für den elektrischen Anschluss an eine Leistungselektronik zur Ansteuerung der Statorwicklungen. Der Verschaltungsring ist dabei an einem axialen Ende des Stators stirnseitig angeordnet. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine umfassend einen derartigen ausgebildeten Stator.
-
Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
-
Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken.
-
Eine als Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug ausgebildete elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
-
Aus der
DE 10 2019 103 191 A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine, mit einer Wicklung umfassend eine Mehrzahl an einer oder mehreren Phasen zugeordneten Leitern bekannt, wobei die Leiter untereinander verschaltet sind und wobei die Enden zumindest eines Teils der Leiter am Innenumfang und/oder am Außenumfang der Wicklung axial oder radial über die Wicklung hervorstehen. Ferner ist ein Verschaltungsring axial oder radial auf die Wicklung aufgesetzt, an welchem die Leiter angeschlossen sind, und wobei die Enden jeweils wenigstens zweier einer Phase zugeordneter Leiter radial oder axial nach außen hervorstehen und mit einem radial außerhalb der Wicklung angeordneten Stromanschluss verbunden sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Stator für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine bereitzustellen, wobei bei kleiner Baugröße eine optimierte Isolation zwischen Leitern innerhalb eines Verschaltungsrings des Stators gewährleistet.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
-
Der Stator ist insbesondere als Stator für eine als Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug ausgebildete elektrische Maschine ausgebildet und umfasst einen Statorkörper mit einer Vielzahl von Statorzähnen, eine Mehrzahl von Statorwicklungen, sowie einen Verschaltungsring. Der Verschaltungsring weist ein Verschaltungsringgehäuse aus elektrisch isolierendem Material mit einer Mehrzahl von in kreisringförmigen Gehäusenuten angeordneten Ringleitern auf. Dabei sind die Ringleiter für die elektrische Kontaktierung von Wicklungsdrahtenden einzelner Statorwicklungen als auch für die elektrische Kontaktierung von Stromschienen für den elektrischen Anschluss an eine Leistungselektronik zur Ansteuerung der Statorwicklungen vorgesehen bzw. ausgebildet. Der Verschaltungsring ist an einem axialen Ende des Stators stirnseitig angeordnet, wobei umfänglich gesehen zwischen zwei in radialer Richtung verlaufend angeordneten Wicklungsdrähten unterschiedlicher Statorwicklungen, welche im Betrieb der elektrischen Maschine ein unterschiedliches elektrisches Potential aufweisen, und/oder in radialer Richtung gesehen zwischen einem Wicklungsdraht und einer Stromschiene, welche in Umfangsrichtung parallel zueinander angeordnet sind und welche im Betrieb der elektrischen Maschine ein unterschiedliches elektrisches Potential aufweisen, eine die Seitenwand der Gehäusenut oberflächenerweiternde Isolierwand vorgesehen.
-
Dadurch, dass der Verschaltungsring geometrisch so ausgeführt wird, dass zwischen zwei Leitern mit einem Spannungsgefälle die Oberfläche so weit erhöht wird, bspw. durch eine gebildete Rippenstruktur, dass sich die tatsächlichen Kriechstrecken vergrößern und damit zur Minimierung der Gefahr eines Spannungsüberschlags beitragen.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die oberflächenerweiternde Isolierwand, einteilig mit dem Verschaltungsringgehäuse ausgebildet ist. Mit Vorteil ist die Isolierwand als Bestandteil eines als Spritzgußteil ausgebildeten Verschaltungsringgehäuses ausgebildet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln (beispielsweise durch Integration derartiger Isolierwände an geeigneten Stellen in ein Spritzgußwerkzeug) die Kriechstrecken für einen potentiellen Spannungsüberschlag soweit vergrößert werden können, dass Spannungsüberschläge weitgehend ausgeschlossen werden können.
-
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die zwischen zwei umfänglich gesehen in radialer Richtung verlaufend angeordneten Wicklungsdrähten unterschiedlicher Statorwicklungen (bzw. Wicklungsdrähten von Spulen unterschiedlicher Phasen) vorhandene oberflächenerweiternde Isolierwand, derart ausgebildet ist, dass die Seitenwand der Gehäusenut in axialer Richtung bereichsweise verlängert ausgebildet ist.
-
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die zwischen einem Wicklungsdraht und einer Stromschiene, welche in Umfangsrichtung parallel zueinander angeordnet sind, vorhandene oberflächenerweiternde Isolierwand, derart ausgebildet ist, dass die Seitenwand der Gehäusenut in axialer Richtung bereichsweise verlängert und in radialer Richtung bereichsweise verdickt ausgebildet ist.
-
Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass durch derartige Isolierwände bildende Negativformen in einem Spritzgußwerkzeug ohne wirklichen Mehraufwand die elektrische Isolierung verbessernde Maßnahmen umsetzbar sind.
-
Darüber hinaus wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Stator, wie er vorstehend beschrieben wurde.
-
Dabei ist die Statorwicklung mit Vorteil als konzentrierte Wicklung ausgebildet und ist die elektrische Maschine als sogenannte permanenterregte Synchronmaschine (PSM) mit einem mittels Drehstrom zu bestromenden Stator und mit einem permanenterregten Rotor ausgeführt. Der Stator umfasst zumeist einen Statorkörper mit Drahtwicklungen, einen Statorträger, einen Verschaltungsring und ein Terminal zur Anbindung an eine Leistungselektronik. Der erfindungsgemäße Stator ist auch für Asynchronmaschinen (ASM) und Fremderregte Synchronmaschinen (FSM) einsetzbar.
-
E-Maschinen mit konzentrierter Wicklung besitzen eine unterschiedliche Anzahl an sog. Statorzähnen. In der Regel bilden drei aufeinanderfolgende Zähne ein Polpaar. Für E-Maschinen mit konzentrierter Wicklung und Sternverschaltung müssen die einzelnen Polpaare, also bspw. drei Zähne miteinander gekoppelt bzw. verbunden werden. Die Realisierung und Zugänglichkeit des Sternpunktes ist in vielen Fällen durch den Bauraum begrenzt. Die Varianz und Integration einer Vielzahl von verschiedenen Subsystemen führt dazu, dass immer mehr Komponenten in einem kleinen Bauraum integriert werden müssen. Damit einher gehen verschiedene Probleme wie das hier beschriebene Thema der Hochvoltsicherheit. Durch den immer kleiner werden Bauraum werden die sogenannten elektrischen Anforderungen hinsichtlich Sicherheit immer relevanter. Sogenannte Luft- und Kriechstrecken, welche sich von einem Spannungspotential zum anderen Spannungspotential ausbilden können, rücken somit immer mehr in den Fokus der Hochvoltsicherheit. Dabei kann ein Spannungsüberschlag zu einem technischen Ausfall oder gar im schlimmsten Fall zu lebensgefährlichen Risiken führen. Diese Risiken können durch eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Stator weiter reduziert werden.
-
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können.
-
Es zeigen:
- 1 einen Teilausschnitt einer elektrischen Maschine in axialer Draufsicht auf den stirnseitig angeordneten Verschaltungsring,
- 2 einen vergrößerten Detailausschnitt eines Verschaltungsrings einer elektrischen Maschine in Perspektivansicht, und
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines vergrößerten Detailausschnitts des Verschaltungsrings gemäß 2 in Perspektivansicht.
-
1 zeigt einen Teilausschnitt einer elektrischen Maschine 2 in axialer Draufsicht auf den stirnseitig angeordneten Verschaltungsring 3. Der ausschnittsweise dargestellte Stator 1umfasst einen Statorkörper mit einer Vielzahl von Statorzähnen, eine Mehrzahl von Statorwicklungen 12, sowie einen Verschaltungsring 3 mit einem Verschaltungsringgehäuse 31 aus elektrisch isolierendem Material. Innerhalb des Verschaltungsringgehäuses 31 sind eine Mehrzahl von kreisringförmigen Gehäusenuten 31a, 31b, 31c, 31d ausgebildet, in denen wiederum entsprechende Ringleiter 32; 32a, 32b, 32c; 32d für die elektrische Kontaktierung von Wicklungsdrahtenden einzelner Statorwicklungen 12 als auch für die elektrische Kontaktierung von Stromschienen 33 für den elektrischen Anschluss an eine nicht dargestellte Leistungselektronik zur Ansteuerung der Statorwicklungen 12 eingelegt sind. Umfänglich gesehen ist zwischen zwei in radialer Richtung verlaufend angeordneten Wicklungsdrähten 12a, 12b, 12c, 12d unterschiedlicher Statorwicklungen 12 (bzw. der Phasenspulen oder eines Sternpunktleiters) - hier zwischen einem Wicklungsdraht 12a, 12b, 12c einer Phasenspule 12 und einem Drahtende eines Sternpunktleiters 12d - welche im Betrieb der elektrischen Maschine 2 ein unterschiedliches elektrisches Potential aufweisen eine die Seitenwand der Gehäusenut 31a, 31b, 31c, 31d oberflächenerweiternde Isolierwand 312 ausgebildet. Die oberflächenerweiternde Isolierwand 311, 312 ist derart ausgebildet, dass die Seitenwand der Gehäusenut 31a, 31b, 31c, 31d in axialer Richtung bereichsweise verlängert und in radialer Richtung bereichsweise verdickt ausgebildet ist.
-
Die Wicklungsdrahtenden 12a, 12b, 12c der Statorwicklungen 12 sowie die Sternpunktleiter 12d sind innerhalb des Verschaltungsrings 3 elektrisch leitend auf die entsprechenden Ringleiter 32; 32a, 32b, 32c; 32d geführt - beispielsweise dort verlötet oder verklebt oder dergleichen und können von dort über entsprechende Stromschienen 33 an eine Leistungselektronil angebunden werden.
-
2 zeigt einen vergrößerten Detailausschnitt eines Verschaltungsrings 3 einer elektrischen Maschine 2 in Perspektivansicht. Gut zu erkennen ist in dieser Ansicht ein umfänglich offener Ringleiter 32, der an seinen beiden axial nach vorne herausgeführten Enden über eine Stromschiene 33 elektrisch verbunden und zum Anschluss an eine nicht dargestellte Leistungselektronik vorbereitet ist. Hier kann über eine Schraubverbindung oder dergleichen ein Leiter der Leistungselektronik angebunden werden. Gut zu erkennen ist ferner, dass im Bereich dieser beiden Ringleiterenden eine oberflächenerweiternde Isolierwand 311 vorgesehen ist, welche umfänglich bereichsweise die Seitenwand der Ringnut 31c des Ringleiters 32c erhöht und damit einen ungewollten Spannungsüberschlag zwischen dem Ringleiter 32c und einem benachbarten Wicklungsdrahtende 12d eines Sternleiters oder dergleichen in diesem Bereich unterbindet.
Über eine zweite oberflächenerweiternde Isolierwand 312 ist in radialer Richtung gesehen zwischen einem Wicklungsdraht 12d eines Sternleiters (Sternleiter S) und einem Wicklungsdraht 12b einer Phasenspule 12 (Phase V) ein verbesserter Schutz gegen Spannungsüberschläge realisiert.
-
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines vergrößerten Detailausschnitts des Verschaltungsrings 3 gemäß 2 in Perspektivansicht. In dieser Darstellung ist gut die durch die Oberflächenvergrößerung erreichte Verlängerung der Kriechstromstrecke zwischen den räumlich benachbarten und über die Isolierwände 311, 312 elektrisch getrennten Leiter erkennbar.
-
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stator
- 2
- Maschine
- 3
- Verschaltungsring
- 12
- Statorwicklung(en)
- 31
- Verschaltungsringgehäuse
- 311
- Isolierwand
- 312
- Isolierwand
- 32
- Ringleiter
- 33
- Stromschiene
-
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 102019103191 A1 [0005]
