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Die Erfindung betrifft einen Elektrische Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator wobei der Stator einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten Statornuten aufweist, und wobei in den Statornuten Statorwicklungen angeordnet sind.
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Elektrische Maschinen sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Hinsichtlich des Wirkungsgrades einer elektrischen Maschine, spielen die Gestaltung der Statorwicklung und der mit ihr befüllten Statornuten eine große Rolle, da der Füllgrad der Statornuten mit der Statorwicklung die Leistung der elektrischen Maschine stark beeinflusst. Grundsätzlich gilt hierbei, dass je höher der Füllgrad ist, desto besser ist der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine. Allerdings ist der Füllgrad aufgrund diverser konstruktiver Rahmenbedingungen begrenzt. So muss beispielsweise zum Einsetzen der Statorwicklung ein hinreichendes Spiel zwischen der Statorwicklung und den Statornuten vorgesehen werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine elektrische Maschine mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig sicherer und effizienter Montierbarkeit der Statorwicklung in den Statornuten zu realisieren.
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Die Aufgabe wird mit den angegebenen Maßnahmen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilshafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Gemäß einem Aspekt umfasst eine elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator wobei der Stator einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten Statornuten aufweist, und wobei in den Statornuten Statorwicklungen angeordnet sind, wobei die Statornuten jeweils eine Nutöffnung aufweisen, durch die die Statorwicklungen in radialer Richtung in die Statornuten einschiebbar sind, wobei in den Statornuten jeweils eine separate Isolationslage eingesetzt ist, welche die Statorwicklungen von den Statornuten elektrisch isoliert, wobei die Nutöffnung in einem Einführungsbereich beidseits jeweils einen Überstand in Umfangsrichtung zu der Isolationslage aufweist und radial oberhalb des Einführungsbereichs sich die Nutöffnung zumindest abschnittsweise in radialer Richtung zu einem Nutgrund hin verjüngt.
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In der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann somit ein hoher Füllgrad der Statornuten bei gleichzeitig hoher Montagesicherheit beim Einsetzen der Statorwicklung in die Statornuten bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine Mitnahme und eine unbeabsichtigte Faltung der separaten Isolationslage beim Einsetzen der Statorwicklung verhindert werden, wodurch Montagefehler und eine daraus resultierende geringere Leistungsdichte der elektrischen Maschine vermieden werden können.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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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.
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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.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere als Radialflussmaschine konfiguriert sein.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. 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.
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Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen oder radial nach außen gerichtete Teile des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Isolationslage ein Isolationspapier ist. Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die Isolationslage klebstofffrei in der Statornut angeordnet ist, was den Montageprozess vereinfacht und die Fertigungskosten reduziert. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass das Isolationspapier klebstofffrei ist, d.h. keine selbstklebenden Oberflächenabschnitte aufweist. Grundsätzlich sind jedoch auch andere, nicht auf Papier basierende folienartig ausbildbaren Materialien zur Herstellung einer Isolationslage denkbar.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass der Einführungsbereich und der sich in radialer Richtung anschließender verjüngender Bereich eine radiale Erstreckung aufweist, die zwischen 0,1-0,4 der radialen Erstreckung der Statornut beträgt. Hierdurch kann ein guter Kompromiss zwischen einem möglichst hohen Füllgrad der Statornut und einer hohen Montagesicherheit beim Einsetzen der Wicklung in die Statornut erzielt werden.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass der Einführungsbereich der Statornut in Umfangsrichtung beidseits jeweils eine Nutverschlussnut aufweist, in die ein Statornutverschlussmittel zum radialen Verschluss der Statornut einsetzbar ist, so dass die Wicklung in radialer Richtung verliersicher in der Statornut aufgenommen ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die Statorwicklung einen rechteckigen Leiterquerschnitt besitzt, wodurch sich ein besonders hoher Füllgrad der Statornut herstellen lässt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der sich verjüngende Bereich der Statornut eine Nutkontur aufweist, die von einer linearen Funktion beschrieben ist.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass der sich verjüngende Bereich der Statornut eine Nutkontur aufweist, die von einer nicht-linearen Funktion beschrieben ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele innerhalb des technisch machbaren frei miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1 einen Statornutbereich in einer schematischen Querschnittsansicht beim Einsetzen der Statorwicklung,
- 2 einen Statornutbereich in einer schematischen Querschnittsansicht mit eingesetzter Statorwicklung,
- 3 einen Einführungsbereich einer Statornut in einer Detaildarstellung,
- 4 verschiedene Ausgestaltungsvarianten der Statornutkontur,
- 5 je ein Kraftfahrzeug mit vollelektrischem und hybriden Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltansicht, und
- 6 eine schematische Ansicht auf eine elektrische Maschine.
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6 zeigt eine elektrische Maschine 1, umfassend einen Rotor 2 und einen Stator 3 in einer Radialflussmaschinenkonfiguration. Der Stator 3 besitzt einen Statorkörper 4 mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 5 und zwischen den Statorzähnen 5 gebildeten Statornuten 6, wie es beispielsweise in der 1 dargestellt ist. In diesen Statornuten 6 sind Statorwicklungen 7 angeordnet, wobei die Statornuten 6 jeweils eine Nutöffnung 9 aufweisen, durch die die Statorwicklungen 7 in radialer Richtung in die Statornuten 6 einschiebbar sind, was durch den Pfeil in der 1 angedeutet ist. Die Statorwicklungen 7 besitzen einen rechteckigen Leiterquerschnitt. In den Statornuten 6 ist jeweils eine separate Isolationslage 10 eingesetzt, welche die Statorwicklungen 7 von den Statornuten 6 elektrisch isoliert.
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Insbesondere beim Einschieben der Statorwicklungen 7 kann es zur Mitnahme der Isolationslage 10 kommen, so dass sich diese faltet und so die Nutisolation fehlerhaft ausgebildet wird. Um dies zu vermeiden, besitzt die Nutöffnung 9 in einem Einführungsbereich 11 beidseits jeweils einen Überstand 12 in Umfangsrichtung zu der Isolationslage 10, wie es gut anhand der 3 erkennbar ist. Ferner verjüngt sich radial oberhalb des Einführungsbereichs 11 die Statornut 6 in einem verjüngenden Bereich 14 von der Nutöffnung 9 zumindest abschnittsweise in radialer Richtung zu dem Nutgrund 13 hin, was sich in den 1-2 erkennen lässt.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Isolationslage 10 ein Isolationspapier, welches klebstofffrei in der Statornut 6 angeordnet ist.
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In der gezeigten Ausführungsform weist der Einführungsbereich 11 der Statornut 6 in Umfangsrichtung beidseits jeweils eine Nutverschlussnut 15 auf, in die ein Statornutverschlussmittel 16 zum radialen Verschluss der Statornut 6 eingesetzt ist, so wie es beispielsweise in der 2 gezeigt ist.
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In der in den 1-2 und der Abbildung a in 4 gezeigten Ausführungsform, weist der sich verjüngende Bereich 14 der Statornut 6 eine Nutkontur auf, die von einer linearen Funktion beschrieben ist. Wie insbesondere auch anhand der alternativen Ausführungsformen der Nutkontur in den Abbildungen b-d der 4 ersichtlich kann der sich verjüngende Bereich 14 der Statornut 6 eine Statornutkontur aufweisen, die von einer nicht-linearen Funktion beschrieben ist.
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Die elektrische Maschine 1 ist insbesondere vorgesehen zur Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs 19 eines Kraftfahrzeugs 20, wie es exemplarisch in der 6 skizziert ist.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Statorkörper
- 5
- Statorzähne
- 6
- Statornuten
- 7
- Statorwicklungen
- 9
- Nutöffnung
- 10
- Isolationslage
- 11
- Einführungsbereich
- 12
- Überstand
- 13
- Nutgrund
- 14
- verjüngender Bereich
- 15
- Nutverschlussnut
- 16
- Statornutverschlussmittel
- 17
- Nutspiel
- 18
- Nutöffnungsspiel
- 19
- Antriebsstrang
- 20
- Kraftfahrzeug
