DE102021115932A1

DE102021115932A1 - Stator einer elektrischen Maschine und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102021115932A1
Application number: DE102021115932.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Braunbeck; Tobias Schmack
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-06-21
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2022-12-22
Also published as: US20220407379A1; US11990813B2; CN115580059A

Abstract

Stator einer elektrischen Maschine, mit einem Stator-Kern (16), der Stator-Nuten (19) aufweist, mit Stator-Wicklungen (17), die in den Stator-Nuten (19) des Stator-Kerns (16) aufgenommen sind, mit Nutisolationen (20), die in den Stator-Nuten (19) des Stator-Kerns (16) derart aufgenommen sind, dass die Nutisolationen (20) zwischen dem Stator-Kern (16) und den Stator-Wicklungen (17) angeordnet sind, wobei die Nutisolationen (20) aus Kunststoff bestehen, nämlich aus mindestens zwei unterschiedlichen Kunststoffen, wobei ein erster Kunststoff die Isolationsfunktion der jeweiligen Nutisolation (20) bereitstellt, und wobei ein zweiter Kunststoff und/oder ein dritter Kunststoff eine von der Isolationsfunktion abweichende Funktion der jeweiligen Nutisolation (20) bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine mit einem Stator.
Der grundsätzliche Aufbau einer elektrischen Maschine ist aus der Praxis bekannt. So verfügt eine elektrische Maschine über einen Stator, der ein Gehäuse, einen vorzugsweise als Stator-Blechpaket ausgebildeten Stator-Kern und Stator-Wicklungen mit Wickelköpfen aufweist. Der Stator wird auch als Ständer bezeichnet. Ferner verfügt eine elektrische Maschine über einen Rotor, der eine Rotorwelle und einen vorzugsweise als Rotor-Blechpaket ausgebildeten Rotor-Kern aufweist. Der Rotor wird auch als Läufer bezeichnet.
Aus der Praxis ist es weiterhin bekannt, dass der Stator-Kern des Stators einer elektrischen Maschine Stator-Nuten aufweist, die einerseits die Stator-Wicklungen und andererseits Nutisolationen aufnehmen. Die Nutisolationen sind derart in den Stator-Nuten angeordnet, dass die Nutisolationen zwischen dem Stator-Kern und den Stator-Wicklungen angeordnet sind, um die Stator-Wicklungen gegenüber dem Stator-Kern elektrisch zu isolieren.
Aus DE 11 2012 001 292 T5 ist ein Stator einer elektrischen Maschine mit einem Stator-Kern und Stator-Wicklungen bekannt, die in Stator-Nuten des Stator-Kerns angeordnet sind. Ferner sind Nutisolationen gezeigt. Es ist offenbart, dass elektrische Leiter mit einem Isoliermaterial, nämlich einem Harzmaterial wie Emaille, beschichtet sind. Ferner ist offenbart, um diese mit dem Isoliermaterial beschichteten Leiter herum ein Isolierrohr anzuordnen. Das Isolierrohr ist aus einem Material mit hoher dielektrischer Durchschlagfähigkeit hergestellt.
Aus DE 10 2010 048 966 A1 ist ein weiterer Stator einer elektrischen Maschine bekannt. Hier wird vorgeschlagen, in Stator-Nuten, die Stator-Wicklungen aufnehmen, eine Nutauskleidung anzuordnen. Die Nutauskleidung ist aus einem dielektrischen Material extrudiert, und zwar derart, dass eine einstückige Auskleidung bereitgestellt wird.
DE 10 2010 016 241 A1 offenbart einen weiteren Stator einer elektrischen Maschine.
US 2005 / 0 012 424 A1 offenbart einen Rotor einer elektrischen Maschine.
Obwohl Statoren von elektrischen Maschinen bekannt sind, die bereits Nutisolationen zwischen den Stator-Wicklungen und dem Stator-Kern erfolgreich nutzen, besteht Bedarf daran, derartige elektrische Maschinen weiterzuentwickeln. Insbesondere besteht Bedarf daran, Nutisolationen, welche die elektrische Isolationsfunktion für die Stator-Wicklungen gegenüber dem Stator-Blechpaket, bereitstellen, vor einer Beschädigung zu schützen sowie die Stator-Wicklungen innerhalb der Nutisolation definiert anzuordnen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuartigen Stator einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Stator einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Nutisolationen bestehen aus Kunststoff, nämlich aus mindestens zwei unterschiedlichen Kunststoffen, wobei ein erster Kunststoff die elektrische Isolationsfunktion der jeweiligen Nutisolation bereitstellt, und wobei ein zweiter Kunststoff und/oder ein dritter Kunststoff eine von der elektrischen Isolationsfunktion abweichende Funktion der jeweiligen Nutisolation bereitstellt.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals eine Nutisolation für einen Stator einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, die mehrere Kunststoffe aufweist, wobei die Kunststoffe der Bereitstellung unterschiedlicher Funktionen dienen.
Der erste Kunststoff der jeweiligen Nutisolation dient dabei der Bereitstellung der elektrischen Isolationsfunktion der jeweiligen Nutisolation, um die Stator-Wicklungen gegenüber dem Stator-Kern elektrisch zu isolieren.
Der zweite Kunststoff der jeweiligen Nutisolation und/oder der dritte Kunststoff der jeweiligen Nutisolation stellt eine von der elektrischen Isolationsfunktion abweichende Funktion der jeweiligen Nutisolation bereit, wobei der zweite Kunststoff insbesondere eine mechanische Schutzfunktion für den ersten Kunststoff bereitstellt, und wobei der dritte Kunststoff insbesondere eine Haltefunktion und/oder Vorspannfunktion für die Stator-Wicklungen innerhalb der Nutisolation bereitstellt.
Vorzugsweise weisen die Nutisolationen mindestens einen ersten Abschnitt aus dem ersten Kunststoff und mindestens einen zweiten Abschnitt aus dem zweiten Kunststoff und/oder mindestens einen dritten Abschnitt aus dem dritten Kunststoff auf, wobei der mindestens eine erste Abschnitt aus dem ersten Kunststoff und der mindestens eine zweite Abschnitt aus dem zweiten Kunststoff und/oder der mindestens eine dritte Abschnitt aus dem dritten Kunststoff koextrudiert sind. Dann, wenn die unterschiedlichen Abschnitte der Nutisolation aus den unterschiedlichen Kunststoffen durch Koextrusion hergestellt sind, kann eine besonders dünne Nutisolation bereitgestellt werden, die sämtliche gewünschten Eigenschaften bei minimalen Bauraumbedarf aufweist.
Vorzugsweise ist der mindestens eine erste Abschnitt aus dem ersten Kunststoff zwischen den Stator-Wicklungen und dem mindestens einen zweiten Abschnitt aus dem zweiten Kunststoff angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist der mindestens eine dritte Abschnitt aus dem dritten Kunststoff zwischen den Stator-Wicklungen und dem mindestens einen ersten Abschnitt aus dem ersten Kunststoff angeordnet, wobei dann, wen dies alternativ der Fall ist, der zwischen den Stator-Wicklungen und dem mindestens einen ersten Abschnitt angeordnete dritte Abschnitt aus dem dritten Kunststoff auch als zweiter Abschnitt aus einem zweiten Kunststoff bezeichnet werden kann.
Die elektrische Maschine ist Anspruch 10 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine;
2 eine perspektivische Ansicht des Stators der elektrischen Maschine;
3 ein erstes Detail des Stators im Bereich einer Stator-Nut;
4 ein zweites Detail des Stators im Bereich einer Stator-Nut;
5 ein drittes Detail des Stators im Bereich einer Stator-Nut;
6 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrische Maschine.

1 zeigt stark schematisiert im Querschnitt den grundsätzlichen Aufbau einer elektrischen Maschine 10. Die elektrische Maschine 10 verfügt über einen Rotor 11 mit einer Rotor-Welle 12 und einem auf der Rotor-Welle 12 angeordneten, vorzugsweise als Rotor-Blechpaket ausgebildeten Rotor-Kern 13. Das Rotor-Korn 13 ist vorzugsweise aus Blechzuschnitten zusammengesetzt. Die elektrische Maschine 10 verfügt weiterhin über einen Stator 14 mit einem Gehäuse 15, einem vorzugsweise als Stator-Blechpaket ausgebildeten Stator-Kern 16 und mit vom Stator-Kern 16 aufgenommenen Stator-Wicklungen 17. Die Rotor-Welle 12 ist im Gehäuse 15 über Lager 18 drehbar gelagert. Das Stator-Kern 16 ist vorzugsweise aus Blechzuschnitten zusammengesetzt.
2 zeigt eine perspektivische Anordnung aus einem Stator-Kerns 16 zusammen mit vom Stator-Kern 16 aufgenommenen Stator-Wicklungen 17, wobei gemäß 1, 2 die Stator-Wicklungen 17 an beiden Seiten 16a, 16b des Stator-Kerns 16 gegenüber demselben vorstehen. An diesen gegenüber dem Stator-Kern 16 vorstehenden Abschnitten der Stator-Wicklungen 17 sind die Stator-Wicklungen 17 unter Ausbildung sogenannter Wickelköpfe miteinander verbunden.
Der Stator-Kern 16 verfügt über Stator-Nuten 19, in welchen die Stator-Wicklungen 17 aufgenommen sind.
Die Stator-Wicklungen 17, die in den Stator-Nuten 19 aufgenommen sind, verfügen typischerweise über mehrere elektrische Leiter 17a. So zeigen 3, 4 und 5 exemplarisch jeweils eine Stator-Wicklung 17, die in einer Stator-Nut 19 des Stator-Kerns 16 aufgenommen ist, wobei diese Stator-Wicklungen 17 jeweils sechs elektrische Leiter 17a umfassen. Die Anzahl von sechs elektrischen Leiter 17a je Stator-Nut 19 ist rein exemplarischer Natur.
In den Stator-Nuten 19 des Stator-Kerns 16 sind zusätzlich zu den Stator-Wicklungen 17 Nutisolationen 20 angeordnet, und zwar derart, dass die Nutisolationen 20 zwischen dem Stator-Kern 16 und den Stator-Wicklungen 17 angeordnet sind. Die Nutisolationen 20 stellen eine elektrische Isolation der Stator-Wicklungen 17 gegenüber dem Stator-Kern 16 bereit.
Die Nutisolationen 20 des erfindungsgemäßen Stators 14 bestehen aus Kunststoff, nämlich aus mindestens zwei unterschiedlichen Kunststoffen.
Die Nutisolationen 20 sind dabei als einstückige bzw. monolithische Baugruppe ausgeführt.
Ein erster Kunststoff der jeweiligen Nutisolation 20 stellt dabei die elektrische Isolationsfunktion der jeweiligen Nutisolation 20 bereit, um die Stator-Wicklungen 17 gegenüber dem Stator-Kern 16 elektrisch zu isolieren. Die Nutisolationen 20 verfügen hierzu über mindestens einen ersten Abschnitt 21 aus dem ersten Kunststoff. Zusätzlich zu dem ersten Kunststoff verfügt die Nutisolation 20 über einen zweiten Kunststoff und/oder einen dritten Kunststoff, der eine von der elektrischen Isolationsfunktion abweichende Funktion der jeweiligen Nutisolation 20 bereitstellt.
Mindestens ein zweiter Abschnitt 22 ist aus dem zweiten Kunststoff und/oder mindestens ein dritter Abschnitt 23 ist aus dem dritten Kunststoff gebildet. Dann, wenn die jeweilige Nutisolation 20 lediglich den ersten Abschnitt 21 aus dem ersten Kunststoff und den dritten Abschnitt 23 aus dem dritten Kunststoff aufweist, kann der dritte Kunststoff als zweiter Kunststoff und der dritte Abschnitt auch als zweiter Abschnitt bezeichnet werden.
Im Ausführungsbeispiel der 3 weist die Nutisolation 20 zusätzlich zu dem ersten Abschnitt 21 aus dem ersten Kunststoff, welcher die elektrische Isolationsfunktion bereitstellt, einen zweiten Abschnitt 22 aus dem zweiten Kunststoff auf, welcher eine mechanische Schutzfunktion für den ersten Abschnitt 21 bereitstellt. Hierzu ist gemäß 3 der zweite Abschnitt 22 aus dem zweiten Kunststoff zwischen dem ersten Abschnitt 21 aus dem ersten Kunststoff und dem Stator-Kern 16 angeordnet, woraus folgt, dass in 3 der erste Abschnitt 21 aus dem ersten Kunststoff zwischen dem zweiten Abschnitt 22 aus dem zweiten Kunststoff und den Stator-Wicklungen 17 angeordnet ist. In 3 umgibt der zweite Abschnitt 22 aus dem zweiten Kunststoff den ersten Abschnitt 21 aus dem ersten Kunststoff außen allseitig, sodass demnach der erste Abschnitt 21 aus dem ersten Kunststoff nicht an dem Stator-Kern 16 zur Anlage kommt. Hierdurch kann auf besonders vorteilhafte Art und Weise eine mechanische Schutzfunktion für den ersten Abschnitt 21 aus dem ersten Kunststoff bereitgestellt werden. Der zweite Kunststoff kann dabei härter als der erste Kunststoff sein. Es ist auch möglich, dass der zweite Kunststoff weicher als der erste Kunststoff ist.
Als erster Kunststoff eignet sich insbesondere ein PEEK-Kunststoff, ein PSU-Kunststoff, ein PPS-Kunststoff, ein PEI-Kunststoff oder ein PPSU-Kunststoff. Dann, wenn in 3 der zweite Kunststoff des zweiten Abschnitts 22 weicher sein soll als der erste Kunststoff des ersten Abschnitts 21, so kommt als zweiter Kunststoff vorzugsweise ein EPDM-Kunststoff zum Einsatz. Soll hingegen in 3 der zweite Kunststoff des zweiten Abschnitts 22 härter als der erste Kunststoff des ersten Abschnitts 21 sein, so eignet sich als zweiter Kunststoff insbesondere ein COC-Kunststoff.
Im Ausführungsbeispiel der 4 ist eine Nutisolation 20 gezeigt, die neben dem ersten Abschnitt 21 aus dem ersten Kunststoff einen dritten Abschnitt 23 aus dem dritten Kunststoff aufweist, wobei dieser dritte Abschnitt 23 eine Haltefunktion und/oder Vorspannfunktion für die Stator-Wicklung 17 bereitstellt. Dabei übt dieser dritte Abschnitt 23 in 4 eine Vorspannkraft auf die Leiter 17a der Stator-Wicklung 17 aus, welche dieselben nach radial innen in Richtung auf eine Nutöffnung 24 der jeweiligen Stator-Nut 19 drückt.
Als dritter Kunststoff für den dritten Abschnitt 23 eignet sich dabei insbesondere ein federelastischer Kunststoff oder gummielastischer Kunststoff, vorzugsweise ein Kunststoff, unter Einwirkung eines Fluids, insbesondere eines Kühlfluids, welches zur Kühlung der Stator-Wicklungen 17 genutzt wird, aufquillt. Hierzu eignen sich insbesondere PA-Kunststoffe.
Auch im Ausführungsbeispiel der 5 verfügt die dort gezeigte Nutisolation 20 neben dem ersten Abschnitt 21 aus dem ersten Kunststoff, welcher die elektrische Isolationsfunktion bereitstellt, über mehrere dritte Abschnitte 23, die wiederum eine Haltefunktion und/oder Vorspannfunktion für die Stator-Wicklung 17 bereitstellen. Während in 4 der dritte Abschnitt 23 an einem der elektrischen Leiter 17a der Stator-Wicklung 17 zur Anlage kommt und die Stator-Wicklung 17 nach radial innen drückt, sind in 5 mehrere dritte Abschnitte 23 gezeigt, die an Seitenwänden der elektrischen Leiter 17a zur Anlage kommen und jeden der elektrischen Leiter 17a fixieren. Hierbei kommt vorzugsweise ein dritter Kunststoff zum Einsatz, der unter Einwirkung eines Kühlfluids aufquillt, vorzugsweise ein PA-Kunststoff.
Die Ausführungsbeispiele der 3, 4 und 5 können auch in Kombination miteinander zum Einsatz kommen. So kann der zweite Abschnitt 22 aus dem zweiten Kunststoff der 3 zusammen mit dem dritten Abschnitt 23 der 4 oder den dritten Abschnitten 23 der 5 zum Einsatz kommen.
Die Nutisolationen 20 sind, wie oben ausgeführt, vorzugsweise einstückig bzw. monolithisch ausgebildet.
Vorzugsweise sind die erste, zweiten und/oder dritten Abschnitte 21, 22 und/oder 23 der Nutisolationen 20 zusammen durch Koextrusion ausgebildet, sodass demnach diese Abschnitte 21, 22 und/oder 23 gemeinsam koextrudiert sind. Hierdurch kann eine besonders dünnwandige Nutisolation 20 bereitgestellt werden, die sämtliche gewünschte Funktionen aufweist, jedoch wenig Bauraum innerhalb der Stator-Nut 19 benötigt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine 10 mit einem Rotor 11 und einem Stator 14, wobei der Stator 14, wie oben beschrieben ausgebildet ist, also die oben beschriebenen Nutisolationen 20 aufweist. Zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 14 ist dabei ein Luftspalt L ausgebildet. Der Stator 14 umgibt den Rotor 11 radial außen.
Bei der elektrischen Maschine 10 handelt es sich insbesondere um eine elektrische Maschine 10, die in einem Kraftfahrzeug 25 als Antriebsaggregat zum Einsatz kommt. So zeigt 6 ein Kraftfahrzeug 25 mit einer elektrischen Maschine 10, die im Kraftfahrzeug 25 als Antriebsaggregat dient. Das Kraftfahrzeug 25 kann dabei ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug sein.
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 112012001292 T5 [0004]
DE 102010048966 A1 [0005]
DE 102010016241 A1 [0006]
US 20050012424 A1 [0007]

Claims

Stator (14) einer elektrischen Maschine, mit einem Stator-Kern (16), der Stator-Nuten (19) aufweist, mit Stator-Wicklungen (17), die in den Stator-Nuten (19) des Stator-Kerns (16) aufgenommen sind, mit Nutisolationen (20), die in den Stator-Nuten (19) des Stator-Kerns (16) derart aufgenommen sind, dass die Nutisolationen (20) zwischen dem Stator-Kern (16) und den Stator-Wicklungen (17) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutisolationen (20) aus Kunststoff bestehen, nämlich aus mindestens zwei unterschiedlichen Kunststoffen, wobei ein erster Kunststoff die elektrische Isolationsfunktion der jeweiligen Nutisolation (20) bereitstellt, und wobei ein zweiter Kunststoff und/oder ein dritter Kunststoff eine von der Isolationsfunktion abweichende Funktion der jeweiligen Nutisolation (20) bereitstellt.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutisolationen (20) mindestens einen ersten Abschnitt (21) aus dem ersten Kunststoff und mindestens einen zweiten Abschnitt (22) aus dem zweiten Kunststoff und/oder mindestens einen dritten Abschnitt (23) aus dem dritten Kunststoff aufweisen.
Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Abschnitt (21) aus dem ersten Kunststoff zwischen den Stator-Wicklungen (17) und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (22) aus dem zweiten Kunststoff angeordnet ist.
Stator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kunststoff des mindestens einen zweiten Abschnitt (22) ein mechanische Schutzfunktion für den mindestens einen ersten Abschnitt (21) aus dem ersten Kunststoff bereitstellt.
Stator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kunststoff härter als der erste Kunststoff ist.
Stator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kunststoff weicher als der erste Kunststoff ist.
Stator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine dritte Abschnitt (23) aus dem dritten Kunststoff zwischen den Stator-Wicklungen (17) und dem mindestens einen ersten Abschnitt (21) aus dem ersten Kunststoff angeordnet ist.
Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kunststoff des mindestens einen dritten Abschnitts (23) eine Haltefunktion und/oder eine Vorspannfunktion für die Stator-Wicklungen (17) bereitstellt.
Stator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kunststoff gummielastisch oder federelastisch ist.
Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kunststoff unter Einwirkung eines Fluids aufquillt.
Stator nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Abschnitt (21) aus dem ersten Kunststoff und der mindestens eine zweite Abschnitt (22) aus dem zweiten Kunststoff und/oder der mindestens eine dritte Abschnitt (23) aus dem dritten Kunststoff koextrudiert sind.
Elektrischen Maschine (19), mit einem Rotor (11) und mit einem Stator (14), welcher den Rotor (11) unter Ausbildung eines Luftspalts (L) zwischen dem Rotor (11) und dem Stator (14) radial außen umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.