DE102022000143A1

DE102022000143A1 - Active part for an electrical machine and electrical machine

Info

Publication number: DE102022000143A1
Application number: DE102022000143.8A
Authority: DE
Inventors: Robin Krüger; Patricia Penabad Durán
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-01-17
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2023-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aktivteil (10) für eine elektrische Maschine (12), mit wenigstens einem Blechpaket (22), und mit wenigstens einem, in zumindest einer Nut (20) des Blechpakets (22) verlaufenden Leiterelement (16) zum Leiten von elektrischem Strom, wobei das Leiterelement (16) einen Querschnitt (Q) mit wenigstens einer abgerundeten Ecke (24) aufweist. Erfindungsgemäß weist der Querschnitt (Q) durch eine Aussparung (26) an einer Ecke mit höchster Stromdichtekonzentration im Wesentlichen eine L-Form auf. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine (12).The invention relates to an active part (10) for an electrical machine (12), with at least one laminated core (22) and with at least one conductor element (16) running in at least one groove (20) of the laminated core (22) for conducting electrical Current, wherein the conductor element (16) has a cross-section (Q) with at least one rounded corner (24). According to the invention, the cross section (Q) through a recess (26) at a corner with the highest current density concentration has an essentially L-shape. The invention also relates to an electrical machine (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Aktivteil für eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine.The invention relates to an active part for an electrical machine according to the preamble of patent claim 1. The invention also relates to an electrical machine.

Die DE 10 2018 006 274 A1 betrifft ein Aktivteil für eine elektrische Maschine, mit wenigstens einem Blechpaket, und mit wenigstens einem, in zumindest einer Nut des Blechpaket verlaufenden Leiterelement zum Leiten von elektrischem Strom, wobei das Leiterelement einen Querschnitt mit wenigstens einer abgerundeten Ecke aufweist, wobei durch die abgerundete Ecke und wenigstens ein der Ecke zugewandtes Bauelement des Aktivteils wenigstens ein von einem Kühlmedium in axialer Richtung durchströmbarer Kühlkanal direkt begrenzt ist, welcher sich in der Nut über mehr als die Hälfte der gesamten, in axialer Richtung verlaufenden Länge der Nut erstreckt.The DE 10 2018 006 274 A1 relates to an active part for an electrical machine, with at least one laminated core, and with at least one conductor element running in at least one groove of the laminated core for conducting electric current, the conductor element having a cross section with at least one rounded corner, the rounded corner and at least one component of the active part facing the corner is directly delimited by at least one cooling channel through which a cooling medium can flow in the axial direction, which extends in the groove over more than half of the entire length of the groove running in the axial direction.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Aktivteil der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders große Leistungsdichte realisiert werden kann. Ferner soll auch eine entsprechende elektrische Maschine geschaffen werden, welche eine besonders große Leistungsdichte realisiert.The object of the present invention is to further develop an active part of the type mentioned at the outset in such a way that a particularly high power density can be realized. Furthermore, a corresponding electrical machine is also to be created which realizes a particularly high power density.

Diese Aufgabe wird durch ein Aktivteil sowie durch eine elektrische Maschine gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by an active part and by an electrical machine according to the independent patent claims. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Aktivteil für eine elektrische Maschine, mit wenigstens einem Blechpaket, und mit wenigstens einem, in zumindest einer Nut des Blechpakets verlaufenden Leiterelement zum Leiten von elektrischem Strom, wobei das Leiterelement einen Querschnitt mit wenigstens einer abgerundeten Ecke aufweist.One aspect of the invention relates to an active part for an electrical machine, with at least one laminated core and with at least one conductor element running in at least one groove of the laminated core for conducting electric current, the conductor element having a cross section with at least one rounded corner.

Es ist vorgesehen, dass der Leiterquerschnitt durch eine Aussparung an einer Ecke mit höchster Stromdichtekonzentration, im Wesentlichen eine L-Form aufweist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Aussparung an einer Ecke zu einer Seite einer Öffnung der Nut gelegen ist.It is envisaged that the conductor cross-section has an essentially L-shape through a cut-out at a corner with the highest current density concentration. In particular, it is provided that the recess is located at a corner to one side of an opening of the groove.

Ebenfalls können Ecken mit hoher Stromdichtekonzentration alternativ durch eine Schrägstellung der Leiterelemente vermieden werden.Alternatively, corners with a high current density concentration can also be avoided by positioning the conductor elements at an angle.

Insbesondere kann durch die Erfindung somit eine Reduzierung der Kupferverluste in im Wesentlichen rechteckförmigen Leiterelementen durch eine Aussparung oder Kerbe realisiert werden. Somit kann es zu einer Verminderung der Stromverdrängungseffekte kommen.In particular, the invention can thus be used to reduce the copper losses in essentially rectangular conductor elements by means of a cutout or notch. This can lead to a reduction in the current displacement effects.

Durch die Verwendung von einer Kerbe an einer Stelle mit Konzentration von hoher Stromdichte in dem Leiterelement können Stromverdrängungseffekte gemildert und dadurch Kupferverluste reduziert werden.By using a notch at a high current density concentration point in the conductor element, current crowding effects can be mitigated and thereby copper losses can be reduced.

Das erfindungsgemäße Aktivteil ist insbesondere als ein Stator der elektrischen Maschine ausgebildet, wobei die elektrische Maschine vorzugsweise eine sogenannte Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs ist.The active part according to the invention is designed in particular as a stator of the electric machine, the electric machine preferably being a so-called traction machine of a motor vehicle.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Querschnittsgröße des Leiterelements in Abhängigkeit von einer Größe einer Aussparung der L-Form ausgebildet ist. Als Kompensation der Aussparung wird insbesondere eine Höhe beziehungsweise eine Breite des Leiterelements geringfügig vergrößert, um die gleiche Querschnittsfläche im Vergleich zu einem Leiterelement ohne Aussparung zu gewährleisten.Furthermore, it has proven to be advantageous if a cross-sectional size of the conductor element is formed as a function of a size of a recess of the L shape. To compensate for the cutout, a height or a width of the conductor element is increased slightly, in particular, in order to ensure the same cross-sectional area as compared to a conductor element without a cutout.

Eine Positionierung der erfindungsgemäßen Aussparung an eine Ecke des Leiterelements zieht relevante physikalische Kausalitäten mit sich. Bei einer vorgegebenen Rotationsrichtung des Aktivteils der elektrischen Maschine aus dem Stand der Technik, erfolgt in einem Betrieb in einem Leiterelement eine Stromverdrängung in genau eine Ecke des Leiterelements, so dass in dieser Ecke eine hohe Stromdichte vorliegt. Es ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ecke mit hoher Stromdichte „weggeschnitten“ oder entfernt wird. Dadurch kann die Stromdichte sich nicht mehr in der weggeschnittenen Ecke konzentrieren und ein gleichförmigerer Verlauf der Stromdichte im verbleibenden Querschnitt des Leiterelements wird erzielt. Es entsteht die erfindungsgemäße vorteilhafte Ausgestaltungsform des Leiterelementquerschnitts, die im Wesentlichen einer L-Form ähnelt. Alternativ kann durch eine Schrägstellung des Leiterelements die Ecke mit hoher Stromdichte weiter von der Öffnung der Nut entfernt werden. Durch die Schrägstellung kann die Stromdichte ebenfalls gleichförmiger über den Leiterquerschnitt verteilt werden. Ein gleichförmiger Verlauf der Stromdichte führt zu einer Reduzierung der Kupferverluste.A positioning of the recess according to the invention at a corner of the conductor element entails relevant physical causalities. With a predetermined direction of rotation of the active part of the electrical machine from the prior art, during operation a current displacement in a conductor element takes place in exactly one corner of the conductor element, so that there is a high current density in this corner. It is now provided according to the invention that the corner with high current density is “cut away” or removed. As a result, the current density can no longer concentrate in the corner that has been cut away, and a more uniform progression of the current density in the remaining cross section of the conductor element is achieved. The result is the advantageous embodiment according to the invention of the conductor element cross section, which essentially resembles an L-shape. Alternatively, the corner with high current density can be further removed from the opening of the slot by tilting the conductor element. Due to the inclined position, the current density can also be distributed more evenly over the conductor cross-section. A uniform course of the current density leads to a reduction in the copper losses.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist eine Aussparung der L-Form in Abhängigkeit von der Rotationsrichtung der elektrischen Maschine ausgebildet.According to an advantageous embodiment, a recess of the L shape is formed depending on the direction of rotation of the electrical machine.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Aussparung des Leiterelements oder eine Schrägstellung des Leiterelements in Abhängigkeit von einem Einsatzzweck der elektrischen Maschine ausgebildet ist.Furthermore, it has proven to be advantageous if a cutout of the conductor element or an inclined position of the conductor element is dependent speed is formed by an application of the electrical machine.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Aktivteil nach dem vorhergehenden Aspekt.A further aspect of the invention relates to an electrical machine with an active part according to the preceding aspect.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Aktivteils sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der elektrischen Maschine anzusehen.Advantageous configurations of the active part are to be regarded as advantageous configurations of the electrical machine.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention.

Dabei zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht gemäß einer Ausführungsform eines Aktivteils; und
2 eine weitere schematische Schnittansicht gemäß einer weiteren Ausführungsform eines Aktivteils.

show:

1 a schematic sectional view according to an embodiment of an active part; and
2 a further schematic sectional view according to a further embodiment of an active part.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Elements that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols in the figures.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht gemäß einer Ausführungsform eines Aktivteils 10. Das Aktivteil 10 ist insbesondere als ein Stator einer elektrischen Maschine 12, welche rein schematisch dargestellt ist, ausgebildet, wobei die elektrische Maschine 12 vorzugsweise eine sogenannte Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs ist. Das Kraftfahrzeug weist dabei in einem vollständig hergestellten Zustand die Traktionsmaschine auf und ist dabei mittels der elektrischen Maschine 12 antreibbar. 1 shows a schematic sectional view according to an embodiment of an active part 10. The active part 10 is designed in particular as a stator of an electrical machine 12, which is shown purely schematically, the electrical machine 12 preferably being a so-called traction machine of a motor vehicle. The motor vehicle has the traction machine in a completely manufactured state and can be driven by means of the electric machine 12 .

Insbesondere zeigt die 1 somit das Aktivteil 10 für die elektrische Maschine 12, mit wenigstens einem Blechpaket 22, mit wenigstens einem, in zumindest einer Nut 20 des Blechpakets 22 verlaufenden Leiterelements 16 zum Leiten von elektrischen Strom, wobei das Leiterelement 16 einen Querschnitt Q mit wenigstens einer abgerundeten Ecke 24 aufweist, und der Querschnitt Q durch eine Aussparung 26 an der Ecke mit höchster Stromdichtekonzentration im Wesentlichen eine L-Form aufweist. Das Leiterelement 16 wird insbesondere auch als Kupferleitung bezeichnet. Die Ecke mit der höchsten Stromdichtekonzentration weist Konturlinien der Stromdichte 28 auf, welche im Vergleich zu anderen Sektionen des Querschnitts Q vergleichsweise dicht beieinander verlaufen. Die Aussparung 26 befindet sich an der zu einer Nutöffnung 18 zugewandten Seite des Leiterelements 16 und ein Vorsehen der Aussparung ist in Abhängigkeit von einer mit einem Pfeil 30 dargestellten Rotationsrichtung der elektrischen Maschine vorzunehmen.In particular, the 1 thus the active part 10 for the electrical machine 12, with at least one laminated core 22, with at least one conductor element 16 running in at least one groove 20 of the laminated core 22 for conducting electric current, the conductor element 16 having a cross section Q with at least one rounded corner 24 and the cross section Q through a recess 26 at the corner with the highest current density concentration has a substantially L-shape. The conductor element 16 is also referred to in particular as a copper line. The corner with the highest current density concentration has current density contour lines 28 which are comparatively close together compared to other sections of the cross-section Q. The cutout 26 is located on the side of the conductor element 16 facing a slot opening 18 and the cutout is to be provided as a function of a direction of rotation of the electrical machine illustrated by an arrow 30 .

Insbesondere zeigt die 1, dass eine Aussparung 26 des Leiterelements 16 in Abhängigkeit von der Rotationsrichtung der elektrischen Maschine 12 gewählt wird. Bei dem in 1 gezeigten vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere eine Rotationsrichtung gegen den Uhrzeigersinn vorgesehen. Die Rotationsrichtung ist mit dem Pfeil 30 dargestellt. Ferner kann die Aussparung 26 des Querschnitts Q in Abhängigkeit von dem Einsatzzweck der elektrischen Maschine 12 ausgebildet sein.In particular, the 1 that a recess 26 of the conductor element 16 is selected depending on the direction of rotation of the electrical machine 12. At the in 1 shown present embodiment is provided in particular a counter-clockwise direction of rotation. The direction of rotation is shown with the arrow 30 . Furthermore, the cutout 26 of the cross section Q can be formed depending on the intended use of the electrical machine 12 .

Die in 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung zeigt insbesondere eine erhöhte Stromdichtekonzentration in der Nähe der Aussparung 26 des Querschnitts Q in einem Bereich der linken unteren Ecke 24, wobei die linke untere Ecke 24, diejenige Ecke 24 ist, welche in Drehrichtung der elektrischen Maschine 12 betrachtet, im vorderen Bereich des Leiterelements 16 und der Nutöffnung 18 zugewandt gelegen ist. Dementsprechend ergeben sich, wie bereits erwähnt, Vorteile für sogenannten AC-Kupferverluste, die durch Stromverdrängungseffekte hervorgerufen werden.In the 1 The illustrated embodiment of the invention shows in particular an increased current density concentration in the vicinity of the recess 26 of the cross section Q in an area of the lower left corner 24, the lower left corner 24 being that corner 24 which, viewed in the direction of rotation of the electrical machine 12, is in the front Area of the conductor element 16 and the slot opening 18 is located facing. Accordingly, as already mentioned, there are advantages for so-called AC copper losses, which are caused by current displacement effects.

Falls die Querschnittsfläche Q des Leiterelements 16 verringert wird, wie es zwangsläufig durch ein Vorsehen einer Aussparung 26 geschieht, so erhöhen sich ohmsche Kupferverluste beziehungsweise DC-Kupferverluste. Die DC-Kupferverluste errechnen sich mit einem Phasenwiderstand, wobei der Phasenwiderstand wiederum eine Abhängigkeit von einer Länge des Leiterelements 16 und dem Querschnitt Q aufweist. Sinkt die Querschnittsfläche, werden die DC-Kupferverluste steigen. Die abgetragene oder weggeschnittene Fläche der Aussparung 26 wird vorteilhafterweise kompensiert, damit der Nachteil der steigenden DC-Kupferverluste nicht entsteht. Für das in der 1 gezeigte Beispiel mit der Aussparung 26 kann beispielsweise das Leiterelement 16 in seiner Höhe vergrößert werden, sodass die Querschnittsfläche des Leiterelements 16 im Vergleich zu einem Leiterelement ohne Aussparung 26 gleichbleibt.If the cross-sectional area Q of the conductor element 16 is reduced, as is inevitably the case when a recess 26 is provided, ohmic copper losses or DC copper losses increase. The DC copper losses are calculated using a phase resistance, the phase resistance in turn being dependent on a length of the conductor element 16 and the cross section Q. If the cross-sectional area decreases, the DC copper losses will increase. Advantageously, the abraded or cut away area of the recess 26 is compensated to avoid the penalty of increasing DC copper losses. For that in the 1 In the example shown with the recess 26, the conductor element 16 can be increased in height, for example, so that the cross-sectional area of the conductor element 16 remains the same in comparison to a conductor element without a recess 26.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Drehrichtung der elektrischen Maschine 12 bei einer Auswahl einer Lage der Aussparung 26 berücksichtigt wird. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Drehrichtung von einem Rotor der elektrischen Maschine 12 insbesondere gegen den Uhrzeigersinn gerichtet, so dass der in einem Betrieb der elektrischen Maschine fließende elektrische Strom in die linke Ecke 24 gedrängt wird. Bei Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn würde der elektrische Strom in die rechte Ecke 24 gedrängt werden. Es ist daher vorteilhaft, wenn bei der Auswahl der Ecke 24, die wegzuschneiden ist, die Drehrichtung beachtet wird.In particular, it is advantageous if the direction of rotation of the electrical machine 12 is taken into account when selecting a position of the cutout 26 . in the in 1 shown embodiment, the direction of rotation of a rotor of the electric machine 12 is directed in particular counterclockwise, so that in an operation electric current flowing in the electric machine is forced into the left-hand corner 24 . If the rotor were rotated clockwise, the electric current would be forced into the right hand corner 24 . It is therefore advantageous if the direction of rotation is considered when selecting the corner 24 to be cut away.

Generell ist die Anwendung der in der 1 gezeigten Idee abhängig von einer Anwendungsart der elektrischen Maschine 12. In einem Betrieb der elektrischen Maschinen 12 in einem Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug fallen häufig deutlich mehr Betriebspunkte in einen motorischen Betriebsbereich, In einen generatorischen Betriebsbereich, mit umgekehrtem Drehsinn des Rotors, liegen in der Regel und je nach Anwendungsart nicht so viele Betriebspunkte. Daher sollte die Auswahl der erfindungsgemäßen Aussparung 26 vorteilhaft auf den motorischen Betriebsbereich der elektrischen Maschine 12 abgestimmt werden. Folglich ist vorteilhaft mit reduzierten Kupferverlusten im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 12 zu rechnen. Kupferverluste in generatorischen Betriebspunkten steigen zwar durch das Vorsehen der Aussparung abgestimmt auf die Drehrichtung der elektrischen Maschine im motorischen Betrieb an, aber da in der Regel deutlich mehr Betriebspunkte in einen motorischen Betriebsbereich fallen und diese in den Kupferverlusten deutlich gesenkt werden, ist im Gesamtergebnis mit dem erfindungsgemäßen Aktivteil eine Reduzierung der Kupferverluste bewirkbar.In general, the application in the 1 The idea shown depends on the type of application of the electrical machine 12. When the electrical machines 12 are operated in a drive train for a motor vehicle, there are often significantly more operating points in a motor operating range, in a generator operating range, with the rotor rotating in the opposite direction, and as a rule not so many operating points depending on the type of application. The selection of the cutout 26 according to the invention should therefore advantageously be matched to the motor operating range of the electric machine 12 . Consequently, reduced copper losses in motor operation of the electrical machine 12 can be expected. Although copper losses in generator operating points increase due to the provision of the cutout, matched to the direction of rotation of the electrical machine in motor operation, but since significantly more operating points usually fall within a motor operating range and these are significantly reduced in the copper losses, the overall result is with the active part according to the invention a reduction in copper losses can be effected.

2 zeigt eine weitere schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die auf ähnlichem Wirkprinzip beruht. Insbesondere ist hierbei das Leiterelement 16 beziehungsweise die Leiterelemente 16 in einer Schrägstellung. Dadurch wird der Strom auch nicht so stark in die linke Ecke 24 gedrängt, wie dies im Stand der Technik der Fall ist. Somit ergeben sich auch hierbei entsprechend geringere Kupferverluste. 2 shows a further schematic view of a further embodiment of the invention, which is based on a similar operating principle. In particular, the ladder element 16 or the ladder elements 16 are in an inclined position. As a result, the current is not forced as strongly into the left-hand corner 24 as is the case in the prior art. This also results in correspondingly lower copper losses.

BezugszeichenlisteReference List

1010: Aktivteilactive part
1212: Elektrische Maschineelectrical machine
1616: Leiterelementladder element
1818: Nutöffnunggroove opening
2020: Nutgroove
2222: Blechpaketlaminated core
2424: EckeCorner
2626: Aussparungrecess
2828: Konturlinien der StromdichteCurrent density contour lines
3030: PfeilArrow
QQ: Querschnittcross-section

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102018006274 A1 [0002]

Claims

Active part (10) for an electrical machine (12), with at least one laminated core (22), and with at least one conductor element (16) running in at least one groove (20) of the laminated core (22) for conducting electric current, wherein the Conductor element (16) has a cross section (Q) with at least one rounded corner (24), characterized in that the cross section (Q) is formed by a recess (26) which is in a region of one of the at least one corner (24) of the cross section ( Q) is provided with the highest current density concentration during operation of the electrical machine (12), essentially has an L-shape.

Active part (10) after claim 1 , characterized in that the recess (26) is formed depending on a direction of rotation of the electrical machine (12).

Active part (10) after claim 1 or 2 , characterized in that the recess (26) is formed depending on an application of the electrical machine (12).

Active part (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a cross-sectional size of the conductor element (16) is formed depending on a recess (26).

Electrical machine (12) with an active part (10) according to one of Claims 1 until 4 .