DE102021114131A1

DE102021114131A1 - Stator für eine Axialflussmaschine und Axialflussmaschine

Info

Publication number: DE102021114131A1
Application number: DE102021114131.1A
Authority: DE
Inventors: Jörg Kegeler; Sandro Schilling
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2022-12-01
Also published as: US20240258859A1; WO2022253382A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für eine Axialflussmaschine (2) umfassend eine scheibenförmige Multilayerplatine (3) mit einer Mehrzahl von übereinander geschichteten Layern (4,24,34,44), wobei jeder Layer ein elektrisch isolierendes Substrat (5) und mindestens eine erste, auf und/oder in dem Substrat (5) auf- und/oder eingebrachte Leiterbahn (6) umfasst, und wobei die mindestens erste Leiterbahn (6) eine erste Windung (8) sowie eine zweite Leiterbahn (16) eine zweite Windung (18) ausbildet, und die Layer (4,24,34,44) über senkrecht zur scheibenförmigen Ebene verlaufenden Durchkontaktierungen (9) miteinander elektrisch kontaktierbar sind, wobei die über die Layer (4,24,34,44) verschalteten Leiterbahnen (6,16) die Statorwicklung (10) ausbilden, jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Windungen (8,18) in einem gemeinsamen Layer (4,24,34,44) miteinander verbunden sind und eine erste Durchkontaktierung (11) für ein erstes Wicklungsende (12) der ersten Windung (8) sowie eine zweite Durchkontaktierung (13) für ein zweites Wicklungsende (14) der zweiten Windung (18) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine Axialflussmaschine umfassend eine scheibenförmige Multilayerplatine mit einer Mehrzahl von übereinander geschichteten Layern, wobei jeder Layer ein elektrisch isolierendes Substrat und mindestens eine erste, auf und/oder in dem Substrat auf- und/oder eingebrachte Leiterbahn umfasst, wobei die mindestens erste Leiterbahn eine Windung sowie eine zweite Leiterbahn eine zweite Windung ausbildet, und die Layer über senkrecht zur scheibenförmigen Ebene verlaufenden Durchkontaktierungen miteinander elektrisch kontaktierbar sind, wobei die über die Layer verschalteten Leiterbahnen, die Statorwicklung ausbilden. Die Erfindung betrifft ferner eine Axialflussmaschine.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegel-raddifferenzial oder Stirnraddifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist beispielsweise vielfach beiden eingangs beschriebenen elektrischen Antriebsystemen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge der Fall.
Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.
In der Regel umfasst eine Axialflussmaschine mindestens einen Stator, der Wicklungen zur Erzeugung des axial ausgerichteten magnetischen Feldes aufweist. Mindestens ein Rotor ist beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt, deren magnetisches Feld in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der Statorwicklungen über einen Luftspalt ein Antriebsmoment erzeugt.
Es ist grundsätzlich bekannt, derartige Statoren für Axialflussmaschinen mit einer Multilayerplatine auszugestalten. Unter einer Multilayerplatine oder Mehrlagenplatine ist eine Leiterplatte zu verstehen, die mehrere übereinanderliegende Ebenen aufweist, die jeweils mit Leiterbahnen bestückt sind. Die auf den verschiedenen Ebenen angeordneten Leiterbahnen können über sogenannte VIAs (Durchkontaktierungen), elektrisch miteinander verbunden werden. Diese VIAs, auch elektrische Durchkontaktierungen genannt, werden in der Regel durch eine vertikale Bohrung realisiert, die an ihrem Innendurchmesser metallisiert wird.
Aus der EP 2863524 A1 ist ein Stator für eine Axialflussmaschine bekannt, der in Form eines Printed Circuit Boards (PCB) ausgebildet ist. Die PCB ist als Multilayerplatine ausgeführt, d.h. sie umfasst mehrere aufeinanderliegende Layer mit Leiterbahnen. Hierdurch können die Wicklungen einer Spule auf diese mehreren Layer verteilt werden. Aus der Schrift ist ebenfalls bekannt, dass sich eine Windung einer Wicklung auf mehrere Lagen der Multilayerplatine erstrecken kann.
Um eine hohe Leistungsdichte innerhalb einer derartigen Multilayerplatine zu erzielen, muss ein möglichst großer Kupferanteil verwirklicht werden. Üblicherweise werden bei der Herstellung von Multilayerplatinen zunächst Einzellayer hergestellt, bei denen Leiterbahnen aus Kupfer auf ein PCB-Substrat, wie beispielsweise FR4, aufgebracht werden. Mehrere dieser Layer werden anschließend aufeinandergestapelt, wobei sie jeweils durch ein oder zwei Blätter Prepreg voneinander getrennt werden. Anschließend wird der Gesamtstapel laminiert und somit eine mechanische Verbindung zwischen dem einzelnen Layer hergestellt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die Leistungsdichte eines Stators mit einer derartigen Multilayerplatine weiter zu optimieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine Axialflussmaschine umfassend eine scheibenförmige Multilayerplatine mit einer Mehrzahl von übereinander geschichteten Layern, wobei jeder Layer ein elektrisch isolierendes Substrat und mindestens eine erste, auf und/oder in dem Substrat auf- und/oder eingebrachte Leiterbahn umfasst, und wobei die mindestens erste Leiterbahn eine erste Windung sowie eine zweite Leiterbahn eine zweite Windung ausbildet, und die Layer über senkrecht zur scheibenförmigen Ebene verlaufenden Durchkontaktierungen miteinander elektrisch kontaktierbar sind, wobei die über die Layer verschalteten Leiterbahnen die Statorwicklung ausbilden, wobei jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Windungen in einem gemeinsamen Layer miteinander verbunden sind und eine erste Durchkontaktierung für ein erstes Wicklungsende der ersten Windung sowie eine zweite Durchkontaktierung für ein zweites Wicklungsende der zweiten Windung vorgesehen ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren gelöst durch einen Stator für einen Linearmotor umfassend eine rechteckförmige Multilayerplatine mit einer Mehrzahl von übereinander geschichteten Layern, wobei jeder Layer ein elektrisch isolierendes Substrat und mindestens eine erste, auf und/oder in dem Substrat auf- und/oder eingebrachte Leiterbahn umfasst, und wobei die mindestens erste Leiterbahn eine erste Windung sowie eine zweite Leiterbahn eine zweite Windung ausbildet, und die Layer über senkrecht zur rechteckförmigen Ebene verlaufenden Durchkontaktierungen miteinander elektrisch kontaktierbar sind, wobei die über die Layer verschalteten Leiterbahnen die Statorwicklung ausbilden, jeweils zwei benachbarte Windungen in einem gemeinsamen Layer miteinander verbunden sind und eine erste Durchkontaktierung für ein erstes Wicklungsende der ersten Windung sowie eine zweite Durchkontaktierung für ein zweites Wicklungsende der zweiten Windung vorgesehen ist.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die notwendigen Flächen für die Durchkontaktierungen innerhalb der Multilayerplatine deutlich gesenkt und damit der Kupferanteil und die Leistungsdichte der mit einem erfindungsgemäßen Stator betriebenen Axialflussmaschine vergrößert werden können. Die Reduzierung der Anzahl der Durchkontaktierungen erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Stator dadurch, dass jeweils zwei Windungen in einer Ebene eines Layers miteinander verbunden sind und jeweils nur eine Durchkontaktierung für diese zwei Windungen gebraucht wird, um in diese mit einem weiteren Layer zu verbinden. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass bei einer Verbindung jeder einzelnen Windung doppelt so viele Durchkontaktierungen gebraucht werden.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Der magnetische Fluss in einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine (AFM) ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial zu einer Rotationsrichtung des Rotors der Axialflussmaschine gerichtet.
Es gibt unterschiedliche Typen von Axialflussmaschinen. Ein bekannter Typ ist eine sogenannte I-Anordnung, bei der der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet ist und welche mit dem unabhängigen Anspruch 1 beansprucht ist.
Ein anderer bekannter Typ ist eine sogenannte H-Anordnung, bei der zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet sind und welche mit dem nebengeordneten, unabhängigen Anspruch 2 beansprucht ist.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator-Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, sowohl eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des I-Typs sowie eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des H-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.
Der Rotor einer elektrischen Axialflussmaschine kann bevorzugt zumindest in Teilen als geblechter Rotor ausgebildet sein. Ein geblechter Rotor ist in axialer Richtung geschichtet ausgebildet. Der Rotor einer Axialflussmaschine kann alternativ auch einen Rotorträger bzw. Rotorkörper aufweisen, der entsprechend mit Magnetblechen und/oder SMC-Material und mit als Permanentmagneten ausgebildeten Magnetelementen bestückt ausgebildet ist.
Ein Rotorkörper weist in bevorzugter Weise ein Innenteil, über das der Rotor drehfest mit einer Welle verbindbar ist, und ein Außenteil auf, das den Rotor in radialer Richtung nach außen begrenzt. Der Rotorkörper kann zwischen Innenteil und Au-ßenteil mit mehreren Rotorstreben ausgebildet sein, über das das Innenteil und das Außenteil miteinander verbunden sind und welches gemeinsam mit der radialen Außenfläche des Innenteils und der radialen Innenfläche des Außenteils einen Aufnahmeraum für die Aufnahme der Magnetelemente und der Flussleitelemente des Rotors bildet. Alternativ zu dem Aufnahmeraum können die Magnetelemente auf dem Rotorträger angeordnet bzw. aufgesetzt sein.
Ein Magnetelement kann als Permanentmagnet in Form eines Stabmagneten oder in Form kleinerer als Klötze ausgebildeter Magnetblöcke gebildet sein. Die Magnetelemente sind in der Regel in, an oder auf einem Rotorträger angeordnet. Das als Permanentmagnet ausgebildete Magnetelement eines Rotors einer Axialflussmaschine steht in Wechselwirkung mit einem rotierenden Magnetfeld welches durch die in der Regel mit einem Drehstrom beaufschlagten Statorwicklungspulen erzeugt ist.
Als Rotorwelle wird eine drehbar gelagerte Welle einer elektrischen Maschine bezeichnet, mit der der Rotor bzw. Rotorkörper drehfest gekoppelt ist.
Der Stator einer elektrischen Axialflussmaschine weist bevorzugt einen Statorkörper mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen auf. Der Statorkörper kann in Umfangsrichtung gesehen einteilig oder segmentiert ausgebildet sein.
Eine weitere mögliche Ausführungsform ist die Ausführung des Stators als Sandwich mehrerer Multilayerplatinen. Das Substrat der Multilayerplatine ist bevorzugt aus einem Verbund aus Epoxyharz und Glasfaser gebildet.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Stator drehfest in dem Motorgehäuse aufgenommen und mit diesem verbunden ist. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das Motorgehäuse aus einem metallischen Material und/oder Keramik und/oder einem Kunststoff und/oder aus einem Verbundmaterial geformt ist.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Rückschlusskerne aus einem weichmagnetischen Kompositmaterial gebildet sind. Insbesondere können die Rückschlusskerne mit einem ringförmigen Körper ausgeformt sein, aus welchem die Rückschlusskerne in axialer Richtung herausragen, so dass sich eine kronenartige Raumform ergibt. Die Rückschlusskerne und der ringförmige Körper sind bevorzugt monolithisch ausgeformt.
Der erfindungsgemäße Stator ist insbesondere für eine Verwendung in einer Axialflussmaschine vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Axialflussmaschine 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 die Axialflussmaschine 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 Axialflussmaschine 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. Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
Der Stator kann insbesondere bevorzugt auch mit einer Steuereinheit koppelbar sein. Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt ein Leistungselektronikmodul umfassen. Ein Leistungselektronikmodul ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine des Achsantriebsstrang steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält das Leistungselektronikmodul Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B. Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 10 W, bevorzugt mindestens 100 W besonders bevorzugt mindestens 1000 W zu steuern oder regeln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zwei in Umfangsrichtung benachbarten Windungen, entlang einer Radialebene spiegelsymmetrisch ausgebildet sind.
Es ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, dass die scheibenförmige Multilayerplatine insbesondere für als Rotationsmaschinen ausgebildete Axialflussmaschinen eine Kreisringform aufweist.
Es ist ferner bevorzugt, dass der Stator für eine Axialflussmaschine eine scheibenförmige Multilayerplatine mit einer Mehrzahl von übereinander geschichteten Layern aufweist wobei jeder Layer ein elektrisch isolierendes Substrat und mindestens eine erste, auf und/oder in dem Substrat auf- und/oder eingebrachte Leiterbahn umfasst, und die Multilayerplatine eine Mehrzahl von über ihren Umfang verteilte Öffnungen zum Durchgriff eines magnetischen Rückschlusskerns aufweist, wobei die mindestens erste Leiterbahn eine Windung um eine erste der Öffnungen sowie eine zweite Leiterbahn eine zweite Windung um eine zweite der Öffnungen ausbildet, und die Layer über senkrecht zur scheibenförmigen Ebene verlaufenden Durchkontaktierungen miteinander elektrisch kontaktierbar sind, wobei die über die Layer verschalteten Leiterbahnen, die Statorwicklung ausbilden, wobei jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Windungen, in einem gemeinsamen Layer miteinander verbunden sind und eine erste Durchkontaktierung für ein erstes Wicklungsende der ersten Windung im Bereich der ersten Öffnung sowie eine zweite Durchkontaktierung für ein zweites Wicklungsende der zweiten Windung im Bereich der zweiten Öffnung vorgesehen ist.
Auch ist es bevorzugt, dass die erste Windung eine im Uhrzeigersinn entgegengesetzte Wicklungsrichtung zur zweiten Windung aufweist.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die erste Durchkontaktierung den im Wesentlichen gleichen stromtragenden Querschnitt aufweist wie die Leiterbahn der ersten Windung und/oder die zweite Durchkontaktierung den im Wesentlichen gleichen stromtragenden Querschnitt aufweist wie die Leiterbahn der zweiten Windung. Hierdurch kann die Leistungsdichte des Stators weiter optimiert werden. In diesem Zusammenhang kann es auch bevorzugt sein, dass die erste Durchkontaktierung einen stromtragenden Querschnitt aufweist, der 0.5-0.94 mal dem stromtragenden Querschnitt der Leiterbahn der ersten Windung entspricht und/oder die zweite Durchkontaktierung einen stromtragenden Querschnitt aufweist, der 0.5-0.94 mal dem stromtragenden Querschnitt der Leiterbahn der zweiten Windung entspricht. Auch hierdurch kann die Leistungsdichte des Stators optimiert sein.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die erste Durchkontaktierung und/oder die zweite Durchkontaktierung zylinderförmig und/oder zylinderringförmig ausgebildet sind/ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass die Durchkontaktierung mittels einer Bohrung herstellbar ist.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die erste Windung die erste Öffnung wenigstens zweimal vollständig umschlingt und/oder die zweite Windung die zweite Öffnung wenigstens zweimal vollständig umschlingt. Durch die Anzahl der Umschlingungen der Windung kann auch eine Anpassung von Strom und Spannung sowie der Drehzahl der Axialflussmaschine erfolgen.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die erste Öffnung und/oder die zweite Öffnung trapezförmig ausgestaltet sind/ist, wobei die kurze Seite, der im Wesentlichen parallel verlaufenden Seiten, radial innen angeordnet sind/ist
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass jeweils zwei benachbarte Windungen, in einem gemeinsamen Layer miteinander verbunden sind, wobei eine Mehrzahl derartig ausgebildeter Layer unmittelbar übereinander geschichtet in dem Stator angeordnet ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei Parallelschaltung dieser Layer der wirksame Leiterquerschnitt erhöht wird und bei Reihenschaltung die wirksame Windungszahl erhöht wird. In jedem dieser Fälle wird die im Stator genutzte Kupfermenge vergrößert.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die erste Durchkontaktierung radial unterhalb der ersten Öffnung und/oder die zweite Durchkontaktierung radial unterhalb der zweiten Öffnung angeordnet ist. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass die Durchkontaktierungen keinen Platz im wichtigen Zwischenzahnbereich einnehmen.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine Axialflussmaschine für einen Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei die Axialflussmaschine einen Stator nach einem der Ansprüche 1-8 umfasst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 eine Axialflussmaschine in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
2 eine Aufsicht auf einen ersten Layer einer Multilayerplatine,
3 eine Aufsicht auf einen zweiten Layer einer Multilayerplatine,
4 eine Aufsicht auf einen dritten Layer einer Multilayerplatine, und
5 eine Aufsicht auf einen vierten Layer einer Multilayerplatine.

Die 1 zeigt einen Stator 1 für eine Axialflussmaschine 2 umfassend eine kreisringscheibenförmige Multilayerplatine 3 mit einer Mehrzahl von übereinander geschichteten Layern 4,24,34,44, wie sie in den 2-5 gezeigt und nachfolgend näher erläutert werden. Die Multilayerplatine 3 besitzt eine Mehrzahl von über ihren Umfang verteilte Öffnungen 7 zum Durchgriff eines magnetischen Rückschlusskerns.
Jeder der Layer 4,24,34,44 der Multilayerplatine 3 weist ein elektrisch isolierendes Substrat 5 und mindestens eine erste, auf dem Substrat 5 aufgebrachte Leiterbahn 6 auf. Wie anhand der 2-5 gut zu erkennen ist, bildet die mindestens erste Leiterbahn 6 eine Windung 8 um eine erste der Öffnungen 7 sowie eine zweite Leiterbahn 16 eine zweite Windung 18 um eine zweite der Öffnungen 17 aus, wobei die über die Layer 4,24,34,44 verschalteten Leiterbahnen 6,16 die Statorwicklung 10 ausbilden. Die erste Öffnung 7 und die zweite Öffnung 17 sind trapezförmig ausgestaltet, wobei die kurze Seite, der im Wesentlichen parallel verlaufenden Seiten, radial innen angeordnet sind.
Die Layer 4,24,34,44 sind über senkrecht zur scheibenförmigen Ebene verlaufenden Durchkontaktierungen 9 miteinander elektrisch kontaktierbar. Jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Windungen 8,18 sind in einem gemeinsamen Layer 4,24,34,44 miteinander verbunden. Eine erste Durchkontaktierung 11 ist für ein erstes Wicklungsende 12 der ersten Windung 8 im Bereich der ersten Öffnung 7 sowie eine zweite Durchkontaktierung 13 für ein zweites Wicklungsende 14 der zweiten Windung 18 im Bereich der zweiten Öffnung 17 vorgesehen. Die erste Durchkontaktierung 11 ist radial unterhalb der ersten Öffnung 7 und die zweite Durchkontaktierung 13 radial unterhalb der zweiten Öffnung 17 angeordnet.
Die erste Windung 8 weist eine im Uhrzeigersinn entgegengesetzte Wicklungsrichtung zur zweiten Windung 18 auf.
Die erste Durchkontaktierung 11 weist besonders bevorzugt den im Wesentlichen gleichen stromtragenden Querschnitt auf wie die Leiterbahn 6 der ersten Windung 8 und die zweite Durchkontaktierung 13 weist bevorzugt den im Wesentlichen gleichen stromtragenden Querschnitt auf wie die Leiterbahn 6 der zweiten Windung 18. Die erste Durchkontaktierung 11 und die zweite Durchkontaktierung 13 sind zylinderförmig und/oder zylinderringförmig ausgebildet.
Die 2-5 zeigen des Weiteren, dass die erste Windung 8 die erste Öffnung 7 und die zweite Windung 18 die zweite Öffnung 17 wenigstens zweimal vollständig umschlingen. Was aus der Zusammenschau der 2-5 ferner entnommen werden kann, ist, dass jeweils zwei benachbarte Windungen 8,18 in einem gemeinsamen Layer 4 miteinander verbunden sind, wobei eine Mehrzahl derartig ausgebildeter Layer 4,24,34,44 unmittelbar übereinander geschichtet in dem Stator 1 angeordnet ist.
Auch wenn in den Figuren nicht gezeigt, so ist es dennoch möglich, dass der Stator 1 eisenlos, also ohne die Öffnungen 7, ausgebildet ist.
Ferner ist es ebenfalls denkbar, dass der Stator 1 für einen Linearmotor konfiguriert ist, wobei eine rechteckförmige Multilayerplatine 3 mit einer Mehrzahl von übereinander geschichteten Layern 4,24,34,44 vorhanden ist. Jeder Layer umfasst ein elektrisch isolierendes Substrat 5 und mindestens eine erste, auf und/oder in dem Substrat 5 auf- und/oder eingebrachte Leiterbahn 6. Die mindestens erste Leiterbahn 6 bildet eine erste Windung 8 aus sowie eine zweite Leiterbahn 16 eine zweite Windung 18. Die Layer 4,24,34,44 sind über senkrecht zur rechteckförmigen Ebene verlaufenden Durchkontaktierungen 9 miteinander elektrisch kontaktierbar, wobei die über die Layer 4,24,34,44 verschalteten Leiterbahnen 6,16 die Statorwicklung 10 des Linearmotors ausbilden. Jeweils zwei benachbarte Windungen 8,18 sind in einem gemeinsamen Layer 4,24,34,44 miteinander verbunden. Eine erste Durchkontaktierung 11 ist für ein erstes Wicklungsende 12 der ersten Windung 8 sowie eine zweite Durchkontaktierung 13 für ein zweites Wicklungsende 14 der zweiten Windung 18 vorgesehen.
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: Axialflussmaschine
3: Multilayerplatine
4: Layer
5: Substrat
6: Leiterbahn
7: Öffnungen
8: Windung
9: Durchkontaktierungen
10: Statorwicklung
11: Durchkontaktierung
12: Wicklungsende
13: Durchkontaktierung
14: Wicklungsende
16: Leiterbahn
17: Öffnungen
18: Windung
19: Radialebene
24: Layer
34: Layer
44: Layer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2863524 A1 [0009]

Claims

Stator (1) für eine Axialflussmaschine (2) umfassend eine scheibenförmige Multilayerplatine (3) mit einer Mehrzahl von übereinander geschichteten Layern (4,24,34,44), wobei jeder Layer ein elektrisch isolierendes Substrat (5) und mindestens eine erste, auf und/oder in dem Substrat (5) auf- und/oder eingebrachte Leiterbahn (6) umfasst, und wobei die mindestens erste Leiterbahn (6) eine erste Windung (8) sowie eine zweite Leiterbahn (16) eine zweite Windung (18) ausbildet, und die Layer (4,24,34,44) über senkrecht zur scheibenförmigen Ebene verlaufenden Durchkontaktierungen (9) miteinander elektrisch kontaktierbar sind, wobei die über die Layer (4,24,34,44) verschalteten Leiterbahnen (6,16) die Statorwicklung (10) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Windungen (8,18) in einem gemeinsamen Layer (4,24,34,44) miteinander verbunden sind und eine erste Durchkontaktierung (11) für ein erstes Wicklungsende (12) der ersten Windung (8) sowie eine zweite Durchkontaktierung (13) für ein zweites Wicklungsende (14) der zweiten Windung (18) vorgesehen ist.
Stator (1) für einen Linearmotor umfassend eine rechteckförmige Multilayerplatine (3) mit einer Mehrzahl von übereinander geschichteten Layern (4,24,34,44), wobei jeder Layer ein elektrisch isolierendes Substrat (5) und mindestens eine erste, auf und/oder in dem Substrat (5) auf- und/oder eingebrachte Leiterbahn (6) umfasst, und wobei die mindestens erste Leiterbahn (6) eine erste Windung (8) sowie eine zweite Leiterbahn (16) eine zweite Windung (18) ausbildet, und die Layer (4,24,34,44) über senkrecht zur rechteckförmigen Ebene verlaufenden Durchkontaktierungen (9) miteinander elektrisch kontaktierbar sind, wobei die über die Layer (4,24,34,44) verschalteten Leiterbahnen (6,16) die Statorwicklung (10) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte Windungen (8,18) in einem gemeinsamen Layer (4,24,34,44) miteinander verbunden sind und eine erste Durchkontaktierung (11) für ein erstes Wicklungsende (12) der ersten Windung (8) sowie eine zweite Durchkontaktierung (13) für ein zweites Wicklungsende (14) der zweiten Windung (18) vorgesehen ist.
Stator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Multilayerplatine (3) eine Mehrzahl von über ihren Umfang verteilte Öffnungen (7) zum Durchgriff eines magnetischen Rückschlusskerns aufweist, wobei die mindestens erste Leiterbahn (6) die erste Windung (8) um eine erste der Öffnungen (7) sowie die zweite Leiterbahn (16) die zweite Windung (18) um eine zweite der Öffnungen (17) ausbildet, wobei jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Windungen (8,18) in einem gemeinsamen Layer (4,24,34,44) miteinander verbunden sind und die erste Durchkontaktierung (11) für das erste Wicklungsende (12) der ersten Windung (8) im Bereich der ersten Öffnung (7) sowie die zweite Durchkontaktierung (13) für das zweite Wicklungsende (14) der zweiten Windung (18) im Bereich der zweiten Öffnung (17) vorgesehen ist.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Windung (8) eine im Uhrzeigersinn entgegengesetzte Wicklungsrichtung zur zweiten Windung (18) aufweist.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Durchkontaktierung (11) einen stromtragenden Querschnitt aufweist, der 0.5-0.94 mal dem stromtragenden Querschnitt der Leiterbahn (6) der ersten Windung (8) entspricht und/oder die zweite Durchkontaktierung (13) einen stromtragenden Querschnitt aufweist, der 0.5-0.94 mal dem stromtragenden Querschnitt der Leiterbahn (6) der zweiten Windung (18) entspricht.
Stator (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Durchkontaktierung (11) und/oder die zweite Durchkontaktierung (13) zylinderförmig und/oder zylinderringförmig ausgebildet sind/ist.
Stator (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Windung (8) die erste Öffnung (7) wenigstens zweimal vollständig umschlingt und/oder die zweite Windung (18) die zweite Öffnung (17) wenigstens zweimal vollständig umschlingt.
Stator (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (7) und/oder die zweite Öffnung (17) trapezförmig ausgestaltet sind/ist, wobei die kurze Seite, der im Wesentlichen parallel verlaufenden Seiten, radial innen angeordnet sind/ist.
Stator (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte Windungen (8,18) in einem gemeinsamen Layer (4) miteinander verbunden sind, wobei eine Mehrzahl derartig ausgebildeter Layer (4,14,24,34) unmittelbar übereinander geschichtet in dem Stator (1) angeordnet ist.
Stator (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Durchkontaktierung (11) radial unterhalb der ersten Öffnung (7) und/oder die zweite Durchkontaktierung (13) radial unterhalb der zweiten Öffnung (17) angeordnet ist.