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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator ein Statorblechpaket umfasst, wobei an einer Stirnseite des Statorblechpakets ein Stirnbauteil angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend einen derartigen Stator. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Stators.
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Solche elektrischen Maschinen können beispielsweise als Elektromotoren in teilweise oder vollständig elektrisch betriebenen Fahrzeugen Anwendung finden.
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Der Stator einer elektrischen Maschine enthält Statorspulen, welche durch Ihre räumliche Anordnung und die an den Spulen anliegenden Spannungen in Überlagerung ein magnetisches Drehfeld erzeugen. Diese Statorspulen können aus unterschiedlichen Halbzeugen und in unterschiedlichen Geometrien hergestellt werden, unter anderem aus Flachdrähten in Form einer Hairpingeometrie.
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Zur Verformung der Hairpins sind dabei Führungsvorrichtungen, wie beispielsweise Führungskämme, bekannt. Die Führungsgeometrie kann über externe Werkzeuge, sogenannte Finger, oder ein an das Statorblechpaket angebrachtes Stirnbauteil bereitgestellt werden. Die Hauptaufgabe eines solchen Stirnbauteils ist dabei typischerweise die Bereitstellung der Führungsgeometrie auf der Stirnseite des Statorblechpakets während des Herstellungsprozesses der Statorwicklung.
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Aus der DE 102019207889 A1 ist beispielsweise bekannt, dass in einem Biegeprozessschritt eine Biegehilfe bereitgestellt wird, die einen prozesssicheren Biegevorgang der von einer axialen Stator-Stirnseite abragenden Stabenden ermöglicht. Die Biegehilfe der DE 102019207889 A1 ist eine Scheibe mit Durchlassöffnungen, durch die die Stabenden geführt sind.
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Solche Stirnbauteile werden gemäß dem Stand der Technik typischerweise aus Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt. Die dabei verwendeten Hochleistungsthermoplaste, beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyetheretherketon (PEEK), weisen jedoch im Allgemeinen eine geringe Kriechstromfestigkeit auf.
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Ein entscheidender Aspekt bei elektrischen Maschinen und insbesondere deren Statoren ist es, Isolationsprobleme zu vermeiden, um die Fehleranfälligkeit zu verringern, insbesondere auch bei Umgebungseinflüssen, die über die Lebenszeit der elektrischen Maschine auf die Maschine einwirken.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, einen Stator für eine elektrische Maschine bereitzustellen, mit welchem die Lebenszeit erhöht und/oder die Fehleranfälligkeit, vorzugsweise kosteneffizient, verbessert werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Stator für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, wobei der Stator ein Statorblechpaket umfasst, wobei an einer Stirnseite des Statorblechpakets ein Stirnbauteil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnbauteil eine elektrische Isolationsbeschichtung aufweist.
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Mithilfe der elektrischen Isolationsbeschichtung des Stirnbauteils wird eine Reduzierung der Fehleranfälligkeit und eine Reduzierung oder Verhinderung von Schäden in einem Fehlerfall der Isolation möglich. Besonders vorteilhaft ist es erfindungsgemäß denkbar, dass das Stirnbauteil durch die Verwendung der elektrischen Isolationsbeschichtung selbst ein effizienter Teil des Isolationssystems des Stators ist.
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Erfindungsgemäß sind unterschiedliche Isolationssysteme bzw. Isolationsarten für die Statorwicklungen des Stators denkbar. Insbesondere bei Statorwicklungen, welche ohne Nutgrundisolation oder mit einer alternativen Nutgrundisolation, beispielsweise mithilfe von Kunststoffhülsen anstelle typischerweise eingesetztem Nutisolationspapier, aufgebaut sind, kann das erfindungsgemäße Stirnbauteil besonders vorteilhaft als Teil des elektrischen Isolationssystems eingesetzt werden, wobei mithilfe der elektrischen Isolationsbeschichtung eine vorteilhafte Isolation erreicht wird.
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Darüber hinaus ist es denkbar, dass im Fehlerfall von Leiter- und/oder Nutisolation, beispielsweise auch bei einer Ausgestaltung des Isolationssystems mithilfe von Nutisolationspapier, ein Kriechpfad zwischen spannungsführenden Leiteroberflächen und/oder dem Statorblechpaket entstehen kann. Solche Kriechpfade können mithilfe der erfindungsgemäßen elektrischen Isolationsbeschichtung des Stirnbauteils besonders vorteilhaft verhindert werden. Das erfindungsgemäße Stirnbauteil kann durch die vorteilhaften elektrischen Eigenschaften, die mithilfe der Isolationsbeschichtung erzielbar sind, die elektrische Maschine in derartigen Fehlerfällen vor Schädigungen schützen.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die mithilfe der Isolationsbeschichtung erreichbare gesteigerte Isolationsfestigkeit der axiale Bauraumbedarf des Wickelkopfs in den beschriebenen Anwendungsfällen reduziert und damit die leistungsdichte der Maschine gesteigert werden kann.
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Unter einer elektrischen Isolationsbeschichtung des Stirnbauteils ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Beschichtung des Stirnbauteils zur Erhöhung der Kriechstromfestigkeit des Stirnbauteils zu verstehen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Stirnbauteil einen Grundkörper umfasst, wobei die elektrische Isolationsbeschichtung des Stirnbauteils eine höhere Isolationsfestigkeit und/oder Kriechstromfestigkeit aufweist als der Grundkörper des Stirnbauteils. Die Isolationsbeschichtung ist vorzugsweise auf den Grundkörper aufgebracht, insbesondere vollflächig oder teilflächig.
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Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Isolationsbeschichtung aus einem Werkstoff oder einer Werkstoffzusammensetzung gefertigt ist, wobei der Werkstoff oder die Werkstoffzusammensetzung der Isolationsbeschichtung einen CTI-Wert für die Kriechstromfestigkeit von größer oder gleich 175 aufweist. Die Kriechstromfestigkeit wird mit dem CTI-Wert (Comparative Tracking Index) charakterisiert. Der CTI-Wert sagt dabei insbesondere aus, bis zu welcher ermittelten höchsten Prüfspannung, gemessen in Volt, das Basismaterial kein Tracking zeigt, wenn 50 Tropfen genormter Elektrolytlösungen aufgetropft werden. „Tracking“ bedeutet hierbei insbesondere, dass das Basismaterial unter Spannung leitfähig wird. Gemessen wird auf der abgeätzten Oberfläche, wobei alle 30 Sekunden ein Tropfen zwischen zwei Platin-Elektroden fällt. Ausfallkriterium ist ein Kriechstrom von > 0,5 A. Der CTI-Wert wird insbesondere beispielsweise gemäß der IEC 60112:2020 (Method for the determination of the proof and the comparative tracking indices of solid insulating materials) gemessen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der Werkstoff oder die Werkstoffzusammensetzung der Isolationsbeschichtung einen CTI-Wert „Alpha“ für die Kriechstromfestigkeit von größer oder gleich 175 aufweist, bevorzugt von 400 ≤ Alpha < 600, besonders bevorzugt von 600 ≤ Alpha.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Stirnbauteil als Stirnscheibe ausgebildet ist. Die Stirnscheibe ist bevorzugt unmittelbar an der Stirnseite des Statorblechpakets angebracht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der Grundkörper des Stirnbauteils teilweise oder vollständig aus einem oder mehreren Hochleistungsthermoplasten, insbesondere aus einem oder mehreren glasfaserverstärkten Hochleistungsthermoplasten, gefertigt ist. Der Grundkörper des Stirnbauteils, insbesondere der Stirnscheibe, ist beispielsweise mithilfe von Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyetheretherketon (PEEK) gefertigt. Aus fertigungstechnischen Gründen sowie den im Betrieb des Stators vorherrschenden thermischen, chemischen und mechanischen Randbedingungen wird der Grundkörper besonders bevorzugt aus einem oder mehreren glasfaserverstärkten Hochleistungsthermoplasten hergestellt, beispielsweise PPS GF40. Derartige Hochleistungsthermoplaste weisen im Allgemeinen eine geringe Kriechstromfestigkeit auf, insbesondere einen CTI-Wert von weniger als 175. Die vorteilhaften elektrischen Eigenschaften des Stirnbauteils werden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafterweise durch das zusätzliche Aufbringen der elektrischen Isolationsbeschichtung auf den Grundkörper erreicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass mithilfe des Stirnbauteils eine Führungsgeometrie und/oder Führungsvorrichtung für eine Wicklungsverschaltung für Hairpins des Stators ausgebildet ist. Hierdurch kann das Stirnbauteil besonders vorteilhaft für die Wicklungsverschaltung bzw. -ausbildung verwendet werden und gleichzeitig vorteilhafte elektrische Eigenschaften zur Isolation und zum Schutz des Stators aufweisen. Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass die Hairpins - insbesondere nach dem Formen der Hairpins und dem Abisolieren der Schenkelenden - in den Stator gesteckt und aufgeweitet werden. Die Hairpins sind vorzugsweise in einer Axialrichtung des Stators in axiale Nuten des Stators eingebracht. Zur Herstellung der Wicklungsverschaltung werden die Hairpins bevorzugt korbweise gegenläufig kreisförmig gebogen („twisten“), sodass die abisolierten Enden der Pins jeweils paarweise übereinanderstehen. Zum Biegen bzw. Twisten der Pins wird eine Führungsgeometrie auf der Stirnseite des Statorblechpakets verwendet. Diese Führungsgeometrie wird vorzugsweise mithilfe des an der Stirnseite des Statorblechpakets angebrachten Stirnbauteils, insbesondere der Stirnscheibe, bereitgestellt. Das Stirnbauteil wird in besonders vorteilhafter Weise zusätzlich dafür eingesetzt, die Hairpins zu stützen und damit Verletzungen der Hairpins an den stirnseitigen Kanten der Nutöffnungen vorzubeugen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass auf einer der Stirnseite gegenüberliegenden weiteren Stirnseite des Statorblechpakets ein weiteres Stirnbauteil angeordnet ist, wobei das weitere Stirnbauteil eine weitere elektrische Isolationsbeschichtung aufweist. Das weitere Stirnbauteil umfasst vorzugsweise einen weiteren Grundkörper. Das weitere Stirnbauteil ist vorzugsweise als Stirnscheibe ausgebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die weitere Isolationsbeschichtung aus einem weiteren Werkstoff oder einer weiteren Werkstoffzusammensetzung gefertigt ist, wobei der weitere Werkstoff oder die weitere Werkstoffzusammensetzung einen CTI-Wert „Beta“ für die Kriechstromfestigkeit von größer oder gleich 175 aufweist, bevorzugt von 400 ≤ Beta < 600, besonders bevorzugt von 600 ≤ Beta. Insbesondere ist es denkbar, dass die Isolationsbeschichtung des Stirnbauteils und die weitere Isolationsbeschichtung des weiteren Stirnbauteils aus dem gleichen Werkstoff oder der gleichen Werkstoffzusammensetzung gefertigt sind. Es ist besonders bevorzugt möglich, dass das weitere Stirnbauteil die gleichen Funktionen übernimmt wie das Stirnbauteil und/oder dass das weitere Stirnbauteil zumindest im Wesentlichen baugleich zum Stirnbauteil ausgebildet ist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei bei der Herstellung des Stators das Stirnbauteil an einer Stirnseite des Statorblechpakets angeordnet wird, wobei das Stirnbauteil eine elektrische Isolationsbeschichtung aufweist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, insbesondere des Verfahrens, ist es denkbar, dass mithilfe des Stirnbauteils eine Führungsgeometrie und/oder Führungsvorrichtung während einer Ausbildung der Statorwicklung bereitgestellt wird. Es ist ferner möglich, dass das Stirnbauteil zusätzlich oder alternativ dafür eingesetzt wird, die Komponenten der Wicklung zu stützen, um Beschädigungen der Wicklungskomponenten an den stirnseitigen Kanten der Nutöffnungen zu verhindern.
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Bei der elektrischen Maschine und dem Verfahren zur Herstellung eines Stators können dieselben Vorteile erreicht werden und dieselben Merkmale Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator oder einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators beschrieben worden sind.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1A eine schematische Darstellung eines Flachdrahts mit Schenkeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 1B eine schematische Darstellung eines Hairpins gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Statorblechpakets nach dem Einstecken der Hairpins gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Statorblechpakets nach dem Verschweißen der Hairpins gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Stators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1A ist schematisch ein Flachdraht mit zwei Schenkeln 2, 2' dargestellt. Die Schenkel weisen jeweils einen abisolierten Endbereich 3, 3' auf. In 1B ist ein Hairpin 10 dargestellt, der mithilfe eines Flachdrahts ausgebildet wird und in einen Stator einsteckbar ist.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines Hairpinstators nach dem Einstecken der Hairpins 10 gezeigt. Die Hairpins 10 wurden hierfür in axiale Nuten des Statorblechpakets 20 des Stators eingebracht. Das Statorblechpaket 20 weist eine Stirnseite 21 und eine der Stirnseite 21 gegenüberliegende weitere Stirnseite 22 auf. In 3 ist eine schematische Darstellung des Hairpinstators der 2 nach dem Schweißen gezeigt.
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In 4 ist eine schematische Darstellung eines Stators 1 für eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dem Stator 1 handelt es sich um einen Hairpinstator. Das Statorblechpaket 20 weist auf seiner axialen Stirnseite 21 ein Stirnbauteil 30, insbesondere eine Stirnscheibe, auf. Auf der gegenüberliegenden weiteren Stirnseite 22 des Statorblechpakets 20 ist ein weiteres Stirnbauteil 30`, insbesondere eine weitere Stirnscheibe, angebracht. Das Stirnbauteil 30 umfasst einen Grundkörper, der mit einer elektrischen Isolationsbeschichtung beschichtet ist. Durch das Aufbringen dieser Beschichtung auf das Stirnbauteil 30 wird die Isolationsfestigkeit des Stirnbauteils 30 gesteigert. Die Isolationsbeschichtung besteht hierfür aus einem Werkstoff oder einer Werkstoffzusammensetzung mit einem CTI-Wert „Alpha“ für die Kriechstromfestigkeit von Alpha größer oder gleich 175, bevorzugt von 400 ≤ Alpha < 600, besonders bevorzugt von 600 ≤ Alpha. Hierdurch kann das Stirnbauteil 30 den Stator und die elektrische Maschine in einem Fehlerfall besonders effizient schützen und das Auftreten von hohen Kriechströmen verhindern. Ferner kann das Stirnbauteil 30 durch die elektrische Isolationsbeschichtung Isolationsfunktionen übernehmen, wodurch es in vorteilhafter Weise möglich wird, bei den Statorwicklungen auf eine Nutgrundisolation zu verzichten oder eine alternative Nutgrundisolation, wie beispielsweise Kunststoffhülsen anstelle klassisch eingesetztem Nutisolationspapier, zu verwenden. Das weitere Stirnbauteil 30' ist vorzugsweise baugleich wie das Stirnbauteil 30 ausgeführt. Das Stirnbauteil 30 und das weitere Stirnbauteil 30' können zur Verformung der Hairpins bei der Herstellung des Stators 1 verwendet werden. Die Stirnbauteile 30, 30' stellen hierfür eine Führungsgeometrie auf der Stirnseite des Statorblechpakets während des Herstellungsprozesses der Statorwicklung zur Verfügung. Die Stirnbauteile 30, 30' können ebenfalls dafür eingesetzt werden, die Komponenten der Wicklung zu stützen, um Beschädigungen der Wicklungskomponenten 40, 40' an den stirnseitigen Kanten der Nutöffnungen zu verhindern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Schenkel
- 2'
- Schenkel
- 3
- Endbereich
- 3`
- Endbereich
- 10
- Hairpin
- 20
- Statorblechpaket
- 21
- Stirnseite
- 22
- weitere Stirnseite
- 30
- Stirnbauteil
- 30`
- weiteres Stirnbauteil
- 40
- Wicklungskomponenten
- 40'
- Wicklungskomponenten
