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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten eine Statorwicklung mit einer Mehrzahl an elektrischen Leitern angeordnet ist, und die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung ausweisen, oder die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial inneren Ende einen Nutgrund und ihrem radial äußeren Ende eine Nutöffnung ausweisen.
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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.
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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.
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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.
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Das Ausgabedrehmoment einer mehrphasigen elektrischen Maschine umfasst eine gleichförmige Drehmomentkomponente und eine variierende Drehmomentkomponente. Die variierende Drehmomentkomponente entsteht wegen harmonischer Magnetflussverteilungen in dem Stator und in dem Rotor. Die gesamte Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine ist die Kombination aus der gleichförmigen Komponente und der variierenden Komponente, was zu einem als Drehmomentwelligkeit bezeichneten Phänomen führt. Diese Drehmomentwelligkeit bewirkt Antriebsstrangdrehzahlschwingungen, was zu Vibrieren und Geräusch des Fahrzeugs führen kann, da die Vibrationen der elektrischen Maschine in der Karosserie- und Chassisstruktur des Fahrzeugs resonieren. Das Phänomen der Drehmomentwelligkeit ist bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten besonders signifikant.
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Es ist ferner bekannt, dass die Ausgestaltung der Nutöffnungen des Stators einen Einfluss auf die Drehmomentwelligkeit hat. Durch eine optimale Definition der Nutöffnung wird daher versucht die Drehmomentwelligkeit gering zu halten.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu reduzieren oder vollständig zu vermeiden und einen Stator bereitzustellen, der eine besonders geringe Drehmomentwelligkeit im Betrieb der elektrischen Maschine verursacht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten eine Statorwicklung mit einer Mehrzahl an elektrischen Leitern angeordnet ist, und die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung ausweisen, oder die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial inneren Ende einen Nutgrund und ihrem radial äußeren Ende eine Nutöffnung ausweisen, wobei wenigstens eine Gruppe von Nutöffnungen eine in Umfangsrichtung voneinander unterschiedliche Nutöffnungsbreiten aufweist.
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Als besondere Vorteile ergeben sich hieraus eine verbesserte, sprich reduzierte, Drehmomentwelligkeit (des sog. Torque Ripple) sowie einer Verbesserung im Hinblick auf die NVH-Problematik (Noise Vibration Harshness Problematik).
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Um das Torque Ripple zu reduzieren, wird eine Anzahl an Nutöffnungen mit unterschiedlichen Nutöffnungsbreiten definiert. Diese wechseln sich dann in umfänglicher Richtung ab. Um eine Symmetrie sicherzustellen ist es bevorzugt, das pro Phase die unterschiedlichen Nutöffnungen gleichmäßig über den Umfang des Stators verteilt sind. Neben der Abwechslung in umfänglicher Richtung, können die unterschiedliche Nutöffnungsbreiten vorteilhafterweise auch in axialer Richtung abgewechselt werden. Beide Maßnahmen erzielen ähnlich der Verschränkung des Rotors oder der Sehnung im Stator eine zusätzliche Reduktion des Torque Ripples.
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Der erfindungsgemäße Stator ist bevorzugt zur Verwendung in einer Radialflussmaschine ausgebildet. Ein Stator für eine Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. Die Statornuten besitzen bevorzugt eine im Wesentlichen U-förmige Querschnittskontur. Höchst bevorzugt weisen die Statornuten gerade, sich in radialer Richtung erstreckende Nutwände auf.
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In die Statornuten des erfindungsgemäßen Stators sind Statorwicklungen eingelassen. Eine Statorwicklung ist ein elektrisch leitfähiger Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als sein Durchmesser. Die Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet. Bevorzugt weist eine Statorwicklung eine Isolierung auf. Zur Isolierung der Statorwicklung kann beispielsweise Glimmerpapier, welches aus mechanischen Gründen durch einen Glasgewebeträger verstärkt sein kann, in Bandform um eine oder mehrere Statorwicklungen gewickelt sein, welche mittels eines aushärtenden Harzes imprägniert sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine aushärtbare Lackschicht ohne ein Glimmerpapier zu verwenden, um eine Statorwicklung zu isolieren.
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Der erfindungsgemäße Stator besitzt ferner einen Statorkörper. Der Statorkörper kann einteilig oder mehrteilig, insbesondere segmentiert ausgebildet sein. Ein einteiliger Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Statorkörper umfänglich gesehen einteilig ausgebildet ist. Der Statorkörper ist dabei in der Regel aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet, wobei jedes der Elektrobleche zu einem Kreisring geschlossen ausgebildet ist. Ein segmentiert aufgebauter Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einzelnen Statorsegmentteilen aufgebaut ist. Der Statorkörper kann dabei aus einzelnen Statorzähnen oder Statorzahngruppen aufgebaut sein, wobei jeder einzelne Statorzahn oder jede einzelne Statorzahngruppe aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet sein kann, wobei jedes der Elektrobleche als Statorsegmentblechteil ausgebildet ist.
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Der Statorkörper ist bevorzugt aus einem oder mehreren Statorblechpaketen gebildet. Als Statorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Statorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Statorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.
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In dem Statorkörper sind bevorzugt die Statorzähne des Stators ausgebildet. Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen gerichtete Teile des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist. Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein im Wesentlichen kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht.
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Der Stator ist insbesondere für die Verwendung in einer elektrischen Maschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine 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 elektrische Maschine 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 Maschine 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.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mehrzahl, bevorzugt alle der elektrischen Leiter eine im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Kontur aufweisen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass auf in der Regel standardmäßig verfügbare elektrische Leiter zur Ausbildung der Statorwicklung zurückgegriffen werden kann, was hinsichtlich der Fertigungskosten des Stators besonders günstig ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Mehrzahl, bevorzugt alle der elektrischen Leiter im Querschnitt im Wesentlichen eine identische Kontur aufweisen. Es kann hierdurch erreicht werden, dass die Bauteil- und Fertigungs-Komplexität des Stators geringgehalten werden kann, was ebenfalls zu günstigen Fertigungsprozessen beiträgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Nutöffnungsbreiten in Umfangsrichtung ansteigen.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl der Gruppe von Nutöffnungen über den Umfang verteilt im Stator ausgebildet sind.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Gruppe von Nutöffnungen eine Anzahl N an unterschiedlichen Nutöffnungsbreiten aufweist, die ein Vielfaches der Anzahl der Statornuten geteilt durch die Anzahl der Phasen der Statorwicklung entspricht.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Stator eine Mehrzahl an im Wesentlichen identischen Statorkörpern aufweist, welche um einen Winkel verdreht zueinander angeordnet sind.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Statorwicklung als Hairpin-Wicklung ausgeführt ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Stator für eine Radialflussmaschine konfiguriert ist.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Stator für einen Innenläufer konfiguriert ist.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Stator für eine elektrische Maschine eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs konfiguriert ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 einen Stator für eine elektrische Maschine in einer Querschnittsansicht,
- 2 eine Detailansicht eines Stators in einer Querschnittsansicht,
- 3 eine Detailansicht eines Stators mit einem Verschaltungsplan.
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Die 1 zeigt einen Stator 1 für eine als Radialflussmaschine konfigurierte elektrische Maschine 2 mit einem innenlaufendem Rotor 12. Der Stator 1 besitzt wenigstens einen Statorkörper 3 mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 4 und zwischen den Statorzähnen 4 gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper 3 erstreckender Statornuten 5. In den Statornuten 5 ist eine bestrombare Statorwicklung 6 mit einer Mehrzahl an elektrischen Leitern 7 angeordnet. Die Statorwicklung 6 ist als Hairpin-Wicklung ausgeführt. Die Statornuten 5 weisen entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund 8 und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung 9 auf.
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Wie aus der 2 gut zu erkennen ist, besitzt wenigstens eine Gruppe von Nutöffnungen 10 eine in Umfangsrichtung voneinander unterschiedliche Nutöffnungsbreiten 11. In dem gezeigten Beispiel der 2 steigen die Nutöffnungsbreiten 11 in Umfangsrichtung gegen den Uhrzeigersinn an.
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Der 2 ist auch gut entnehmbar, dass eine Mehrzahl der Gruppe von Nutöffnungen 10 über den Umfang verteilt im Stator 1 ausgebildet ist. Die Gruppe von Nutöffnungen 10 weist eine Anzahl N an unterschiedlichen Nutöffnungsbreiten 11 auf, die ein Vielfaches der Anzahl der Statornuten 5 geteilt durch die Anzahl der Phasen der Statorwicklung 6 entspricht. Der Stator 1 besitzt ferner eine Mehrzahl an im Wesentlichen identischen Statorkörpern 3, welche um einen Winkel verdreht zueinander angeordnet sind.
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Die 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung als einen 48-nutigen Hairpin Stator 1. Bei einem 48-nutigem Stator 1 mit drei Phasen, vier Leitern 7 pro Statornut 5, zwei Parallelzweigen und einem Rotor 12 mit vier Polpaaren, entfallen pro Pol sechs Statoruten 5. Um die unterschiedlichen Nutöffnungen 9 gleichmäßig verteilen zu können, müssen die 48 Statornuten 5 durch die drei Phasen geteilt werden. Daraus ergibt sich in dem vorliegenden Beispiel 16. 16 muss durch die Anzahl an unterschiedlichen Statornuten 5 teilbar sein und eine natürliche Zahl ergeben, d.h. entweder 2, 4, 8 oder 16.
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Nimmt man das Beispiel mit vier unterschiedlichen Nutöffnungen 9 in einer Gruppe 10, werden diese auf die Statornuten 5 mit der Phase U1 U2 bezogen auf die Anzahl gleichmäßig verteilt sowie ihre Verteilung in tangentialer Richtung, was gut aus der 3 zu erkennen ist.
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Der Stator 1 setzt sich auch in diesem Beispiel der 3 aus mehreren Statorkörpern 3 zusammen. Bei vierunterschiedlichen Nutöffnungen 9 in einer Gruppe 10, sollte der Stator 1 aus vier Statorkörpern 3 oder einem Vielfachem davon aufgebaut werden. Durch Verdrehung der Statorkörper 3 kann sichergestellt werden, dass auch in axialer Richtung die unterschiedlichen Nutöffnungen 9 verteilt werden.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Statorkörper
- 4
- Statorzähne
- 5
- Statornuten
- 6
- Statorwicklung
- 7
- Leiter
- 8
- Nutgrund
- 9
- Nutöffnung
- 10
- Gruppe von Nutöffnungen
- 11
- Nutöffnungsbreiten
- 12
- Rotor
