DE102021105651A1

DE102021105651A1 - Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung

Info

Publication number: DE102021105651A1
Application number: DE102021105651.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hubert
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-09-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung (10) mit einem Statorkörper-Blechpaket (12) mit mehreren Statorzähnen (15,16) und mehreren Statorspulenringen (25) höherer maximaler Arbeitsspannung (U1) und mehreren Statorspulenringen (26) niedrigerer maximaler Arbeitsspannung (U2), wobei jeder Statorspulenring (25, 26) jeweils zwei Axial-Leitungsbündel (251, 252, 261, 262) aufweist, die axial aus dem Statorkörper-Blechpaket (12) herausragen, wobei jedes Axial-Leitungsbündel (251, 252, 261, 262) jeweils in eine Isolatorhülle (35, 36) aus einem Isolatorkörper (35', 36') gehüllt ist, die mit einem axialen Hüllenüberstand (L35, L36) aus dem Statorkörper-Blechpaket (12) axial herausragt, wobei das Material des Isolatorkörpers (35',36') jeweils eine spezifische Kriechstromfestigkeit (CTI35, CTI36) aufweist, undwobei das Produkt aus dem jeweiligen Hüllenüberstand (L35, L36) und der jeweiligen spezifischen Kriechstromfestigkeit (CTI35, CTI36) an den Hüllenüberständen (L35, L36) der jeweiligen maximalen Arbeitsspannung (U1, U2) des betreffenden Axial-Leitungsbündels (251,252,261,262) angepasst ist.Hierdurch können Materialkosten für die Isolatorkörper eingespart werden, da für die Statorspulenringe niedrigerer maximaler Arbeitsspannung der Isolatorkörper axial kürzer und/oder aus einem Material geringerer Kriechstromfestigkeit hergestellt sein kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung eines Elektromotors, beispielsweise eines elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotors.
Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnungen können aus technischen Gründen komplexe elektrischer Wicklungsarchitekturen aufweisen, beispielsweise können sie zwei oder mehr voneinander elektrisch unabhängige separate Wicklungssysteme aufweisen, die ihrerseits jeweils mehrphasig ausgebildet sind. Die um die Statorzähne des Statorkörper-Blechpakets gewickelten Statorspulenringe der verschiedenen Wicklungssysteme können voneinander abweichende Windungszahlen und voneinander abweichende maximale Arbeitsspannungen aufweisen, die absolut jeweils mehrere 100 V und bis zu über 1000 V betragen können. Die elektrische Isolation der Statorspulenringe gegenüber dem Statorkörper-Blechpaket muss für die höchste maximale elektrische Arbeitsspannung ausgelegt sein. Hierzu sind die beiden Axial-Leitungsbündel jedes Statorspulenrings jeweils in eine Isolatorhülle gehüllt, die aus einem elektrisch nicht-leitenden Isolatorkörper besteht. Der Isolatorkörper ist beispielsweise ein flexibler Mehrschicht-Isolierstoff, der auch als Nutpapier bezeichnet wird. Problematisch bei elektrischer Hochspannung sind insbesondere Kriechströme auf der Oberfläche der Isolatorhülle.
Aus DE 10 2009 056 763 A1 ist bekannt, den Isolatorkörper im Bereich der Nut zwischen zwei Statorzähnen so zu gestalten, dass eine lange Kriechstrecke zwischen dem jeweiligen Axial-Leitungsbündel und dem Statorkörper-Blechpaket realisiert wird.
Problematisch bezüglich der Kriechströme ist jedoch auch der Bereich eines Axial-Leitungsbündels, der mit einem Überstand axial unmittelbar aus dem Statorkörper-Blechpaket herausragt. Dieser Bereich muss mit einem entsprechenden Isolator-Überstand isoliert werden, der abhängig von der jeweiligen spezifischen Kriechstromfestigkeit CTI des verwendeten Isolatorkörpers, so groß sein muss, dass die höchste maximale Arbeitsspannung, die in dem betreffenden Statorspulenring auftreten kann, nicht zu einem relevanten Kriechstrom führen kann. Die Kriechstromfestigkeit von Isolatorkörper-Materialien wird mit einem CTI-Wert angegeben. Isolatorkörper-Materialien mit einer hohen Kriechstromfestigkeits-Wert CTI sind aufwendiger in der Herstellung und sind damit teurer in der Beschaffung, als Isolatorkörper-Materialien mit einem niedrigeren Kriechstromfestigkeits-Wert CTI.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte und preiswerte Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung mit Statorspulenringen mit verschiedener maximaler Arbeitsspannung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung weist ein Statorkörper-Blechpaket auf, das mehrere Statorzähne ausbildet, die die elektromagnetischen Statorpole geometrisch definieren. Vorzugsweise ist die Statoranordnung für einen Innenläufer ausgebildet. Auf den Statorzähnen sitzen Statorspulenringe verschiedener maximaler Arbeitsspannungen, wobei grundsätzlich auch auf ein und demselben Statorzahn zwei oder mehr elektrisch voneinander getrennte Statorspulen mit zwei oder mehr verschiedenen maximalen Arbeitsspannungen angeordnet sein können. Bevorzugt sitzt auf jedem Statorzahn jedoch nur eine einzige elektrische Statorspule, die den Statorspulenring bildet.
Die beiden maximalen Arbeitsspannungen betragen jeweils mehrere 100 V und können bis zu über 1000 V betragen. Die Differenz zwischen den mindestens zwei verschiedenen maximalen Arbeitsspannungen beträgt vorzugsweise mindestens 50V.
Jeder Statorspulenring weist zwei Axial-Leitungsbündel auf, deren Axialenden durch zwei entsprechende Leitungsbündel- Bögen von ca. 180°, auch Wickelköpfe genannt, elektrisch miteinander zu dem kompletten Statorspulenring verbunden sind. In Umfangsrichtung betrachtet ist also jeweils ein Axial-Leitungsbündel desselben Statorspulenrings zu beiden Seiten des Statorzahns angeordnet. Beide Axial-Leitungsbündel desselben Statorspulenrings ragen beidseitig jeweils axial aus dem Statorkörper-Blechpaket heraus.
Jedes Axial-Leitungsbündel ist jeweils in eine Isolatorhülle aus einem Isolatorkörper gehüllt, wobei die Isolatorhülle mit einem axialen Hüllenüberstand aus dem Statorkörper-Blechpaket axial herausragt. Die Isolatorhülle ist in Umfangsrichtung nicht notwendigerweise, aber bevorzugt vollständig geschlossen. Der aus dem Statorkörper-Blechpaket herausragende Teil der Isolatorhülle bzw. des Isolatorkörpers definiert die Länge der Kriechstrecke zwischen dem betreffenden Statorspulenring und dem Statorkörper-Blechpaket. Je größer der Hüllenüberstand in Axialrichtung ist, desto länger ist die Kriechstrecke. Das Material des Isolatorkörpers der Isolatorhülle weist jeweils eine spezifische Kriechstromfestigkeit CTI auf.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Produkt aus dem jeweiligen axialen Hüllenüberstand und der jeweiligen spezifischen Kriechstromfestigkeit CTI des Isolatorkörpers an den Hüllenüberständen an die jeweilige maximale Arbeitsspannung des betreffenden Statorspulenrings bzw. des betreffenden Axial-Leitungsbündels angepasst ist, beispielsweise der betreffenden maximalen Arbeitsspannung ungefähr entspricht. Die Gesamtlänge bzw. der axiale Hüllenüberstand an beiden Axialenden der Axial-Leitungsbündel ist also an die jeweilige maximale Arbeitsspannung und die spezifische Kriechstromfestigkeit angepasst. Da die maximale Arbeitsspannung der erfindungsgemäßen Statoranordnung mindestens zwei verschiedene Werte für verschiedene Statorspulenringen hat, sind also die Isolatorhüllen aller Statorspulenringen nicht gleich, sondern sind in jedem Fall verschieden voneinander ausgebildet, und sind auf diese Weise an die jeweilige maximale Arbeitsspannung angepasst.
Grundsätzlich kann die Anpassung der Isolatorhülle dadurch erfolgen, dass die axialen Hüllenüberstände der Isolatorhülle bei höherer maximaler Arbeitsspannung länger bzw. größer sind als die Hüllenüberstände der Isolatorhüllen der Axial-Leitungsbündel niedrigerer maximaler Arbeitsspannung. Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die spezifische Kriechstromfestigkeit der Isolatorhüllen der Axial-Leitungsbündel höherer maximaler Arbeitsspannung größer ist als die spezifische Kriechstromfestigkeit der Isolatorhüllen der Axial-Leitungsbündel niedrigerer maximaler Arbeitsspannung. Die Kriechstromfestigkeit CTI des Isolatorkörpers und insbesondere des axialen Hüllenüberstand ist also jeweils an die maximale Arbeitsspannung angepasst.
Auf diese Weise können für die Isolatorhüllen Materialkosten eingespart werden. Und wenn für die Axial-Leitungsbündel höherer maximaler Arbeitsspannung ein Isolatorkörper-Material mit einer sehr hohen bzw. der höchsten verfügbaren Kriechstromfestigkeit CTI gewählt wird, kann auf diese Weise eine in axialer Erstreckung sehr kompakte Statoranordnung realisiert werden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass alle Hüllenüberstände aller Axial-Leitungsbündel annähernd gleich sind, jedenfalls in dem Maße gleich sind, in dem entsprechend angepasste Kriechstromfestigkeiten für die Isolatorhüllen verfügbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnitts-Darstellung einer Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung mit zwei Wicklungssystemen mit Statorspulenringen verschiedener maximaler Arbeitsspannungen und verschiedener Windungszahlen,
2 eine vergrößerte Darstellung II der 1 mit zweier Axial-Leitungsbündeln zweier Statorspulenringe mit verschiedenen maximalen Arbeitsspannungen, und
3 einen Zylinderschnitt III-III eines Endbereichs der Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung der 1.

In den Figuren ist eine Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung 10 dargestellt, die beispielsweise ein Teil eines elektrischen Innenläufer-Traktionsmotors sein kann.
Die Statoranordnung 10 weist ein Statorkörper-Blechpaket 12 mit vorliegend acht Statorzähnen 15,16 auf, das von einer Vielzahl paketierter Statorbleche 12' gebildet ist. Jeder Statorzahn 15,16 definiert einen elektromagnetischen Statorpol. Zwischen den Statorzähnen 15,16 ist ein jeweils ein Pol-Zwischenraum 17 mit einem Nutgrund 13 gebildet.
Um jeden Statorzahn 15,16 ist jeweils ein einziger Statorspulenring 25,26 gewickelt. Vorliegend sind zwei Wicklungssysteme realisiert, sodass drei Statorzähne 15 mit Statorspulenringen 25 mit einer höheren maximalen Arbeitsspannung U1 von beispielsweise 800 V und drei Statorzähne 16 mit jeweils einem Statorspulenring 26 mit einer niedrigeren maximalen Arbeitsspannung U2 von beispielsweise 400 V bewickelt sind. Jeder Statorspulenring 25,26 weist jeweils zwei Axial-Leitungsbündel 251,252,261,262 auf, die jeweils axial an beiden Längsenden aus dem Statorkörper-Blechpaket 12 herausragen, und die durch jeweils zwei 180°-Leitungsbündel-Bögen miteinander zu einem geschlossenen Statorspulenring 25,26 verbunden sind.
In jedem Statorzahn-Zwischenraum 17 ist jeweils ein Axial-Leitungsbündel 252 eines Statorspulenrings 25 mit höherer maximaler Arbeitsspannung U1 und ein Axial-Leitungsbündel 261 eines Statorspulenrings 26 mit niedrigerer maximaler Arbeitsspannung U2 axial verlegt. Die beiden genannten Axial-Leitungsbündel 252,261 ragen an beiden axialen Längsenden jeweils axial aus dem Statorkörper-Blechpaket 12 heraus. Jedes Axial-Leitungsbündel 251,252,261,262 ist jeweils in eine Isolatorhülle 35,36 aus einem Isolatorkörper 35', 36' gehüllt und gegenüber dem Statorkörper-Blechpaket 12 elektrisch isoliert. Jede Isolatorhülle 35,36 weist jeweils einen ungefähr gleichen axialen Hüllenüberstand L35, L36 in Bezug auf das Statorkörper-Blechpaket 12 auf.
Das Material der Isolatorhüllen 35 der Statorspulenringe 25 mit der höheren maximalen Arbeitsspannung U1 weist eine höhere spezifische Kriechstromfestigkeit CTI 35 auf als das Material der Isolatorkörper 36' der Isolatorhülle 36 der Statorspulenringe 26 mit der niedrigeren maximalen Arbeitsspannung U2, die beispielsweise eine um 50 % niedrigere Kriechstromfestigkeit CTI 36 aufweist. Die Hüllenüberstände L 35, L 36 aller Isolatorhüllen 35,36 sind ungefähr gleich.
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 102009056763 A1 [0003]

Claims

Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung (10) mit einem Statorkörper-Blechpaket (12) mit mehreren Statorzähnen (15,16) und mehreren Statorspulenringen (25) höherer maximaler Arbeitsspannung (U1) und mehreren Statorspulenringen (26) niedrigerer maximaler Arbeitsspannung (U2), wobei jeder Statorspulenring (25, 26) jeweils zwei Axial-Leitungsbündel (251, 252, 261, 262) aufweist, die axial aus dem Statorkörper-Blechpaket (12) herausragen, wobei jedes Axial-Leitungsbündel (251, 252, 261, 262) jeweils in eine Isolatorhülle (35, 36) aus einem Isolatorkörper (35', 36') gehüllt ist, die mit einem axialen Hüllenüberstand (L35, L36) aus dem Statorkörper-Blechpaket (12) axial herausragt, wobei das Material des Isolatorkörpers (35',36') jeweils eine spezifische Kriechstromfestigkeit (CTI35, CTI36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus dem jeweiligen Hüllenüberstand (L35, L36) und der jeweiligen spezifischen Kriechstromfestigkeit (CTI35, CTI36) der jeweiligen maximalen Arbeitsspannung (U1,U2) des betreffenden Axial-Leitungsbündels (251,252,261,262) angepasst ist.
Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die spezifische Kriechstromfestigkeit (CTI35) der Isolatorhüllen (35) der Axial-Leitungsbündel (251,252) höherer Spannung größer ist als die spezifische Kriechstromfestigkeit (CTI36) der Isolatorhüllen (36) der Axial-Leitungsbündel (261,262) niedrigerer Spannung.
Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung (10) nach Anspruch 2, wobei alle axialen Hüllenüberstände (L35, L36) annähernd gleich sind.
Hochvolt-Elektromotor-Starteranordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die beiden maximalen Arbeitsspannungen (U1,U2) jeweils mehrere 100 V betragen und um mindestens 50 V auseinander liegen.
Hochvolt-Elektromotor-Statoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1, 2 oder 4, wobei die Hüllenüberstände (L35) der Isolatorhüllen (35) höherer maximaler Arbeitsspannung (U1) größer sind als die Hüllenüberstände (L36) der Isolatorhüllen (36) niedrigerer maximaler Arbeitsspannung (U2).