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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine mehrphasige, insbesondere dreiphasige, Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Elektromaschine mit einem gattungsgemäßen Stator sowie ein Kraftfahrzeug mit einer gattungsgemäßen Elektromaschine.
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Es sind elektrische und hybride Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge bekannt, die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eine Elektromaschine aufweisen. Zur Realisierung hoher Leistungsdichten sind Elektromaschinen bekannt, bei welchen Statorwicklungen aus Wicklungsstäben gebildet sind, die in Statornuten eines Statorgrundkörpers des Stators angeordnet sind. Derartige Wicklungsstäbe werden mitunter auch als „Hairpins“ bezeichnet, da sie eine haarnadelähnliche Ausbildung aufweisen.
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Die Wicklungsstäbe weisen demnach jeweils einen u-förmig ausgebildeten Biegebereich auf, von welchem sich zwei Drahtschenkel mit jeweils einem freien Schenkelende erstrecken. Zur Realisierung der Statorwicklung sind jeweils zwei benachbarte Schenkelenden unterschiedlicher Wicklungsstäbe miteinander elektrisch gekoppelt, beispielsweise verschweißt, vercrimpt, verlötet oder dergleichen. Somit bilden die Biegebereiche an einer ersten Grundkörperstirnseite einen ersten Wickelkopf und die Schenkelenden an einer der ersten Grundkörperstirnseite entgegengesetzten zweiten Grundkörperstirnseite einen zweiten Wickelkopf.
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Bei der Auslegung mehrphasiger Elektromaschinen kann es vorteilhaft sein, die Wicklungen unterschiedlicher Phasen gegeneinander zu verschieben, sodass eine Spulenweite bei einer verteilten Wicklung kleiner ist als eine Polweite. Diese Ausbildung wird als „Sehnung“ der Wicklung bezeichnet. Durch eine Sehnung ist eine Erregerkurve glättbar. Bei einem generatorischen Betrieb der Elektromaschine sind beispielsweise Oberschwingungen der induzierten Spannungen reduzierbar und/oder eine Effizienz der Elektromaschine erhöhbar.
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Bei derartigen Wicklungen, die mitunter auch als „Zweischichtwicklungen“ bezeichnet werden, sind zwei Spulen unterschiedlicher Phasen in einer Statornut übereinander angeordnet.
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Hierdurch sind Potentialdifferenzen zwischen zwei benachbarten Wicklungsdrähten der Spulen unterschiedlicher Phasen üblicherweise größer als eine maximale Potentialdifferenz bei zwei benachbarten Wicklungsdrähten gleicher Phase. Hohe Potentialdifferenzen zwischen benachbarten Wicklungsdrähten können elektrische Teilentladungen sowie eine Reduzierung der Lebensdauer der Elektromaschine bewirken.
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Es ist bekannt, zur Vermeidung derartiger Teilentladungen zwischen benachbarten Wicklungsdrähten unterschiedlicher Phasen eine Dicke einer Primärisolation der Wicklungsdrähte, wie beispielsweise eine Lackbeschichtung, zu vergrößern. Alternativ oder zusätzlich kann eine Zusatzisolierung, wie beispielsweise ein elektrisch isolierender Lagentrenner, unterschiedlich geformte Nutisolationen oder dergleichen, vorgesehen sein. Nachteilig bei diesen Maßnahmen ist, dass sich hierdurch ein Verhältnis zwischen Leiter- und Isolationsmaterial in Richtung Isolationsmaterial verschiebt, sodass bei konstanten Statornuten weniger Leitermaterial zur Verfügung steht. Dies führt zu einer Erhöhung der Materialkosten, einer Verschlechterung der Effizienz der Elektromaschine sowie einem schlechteren Wärmeübergang vom Wicklungsdraht auf einen Statorgrundkörper des Stators.
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Aus dem Dokument
US 2018 / 0 006 516 A1 ist ein Stator mit einer Z-Sehnung bekannt, bei welchem die Wicklungen aus Wickeldrähten gebildet und die verschiedenen Phasen mit einer Sternschaltung miteinander verschaltet sind. Die Potenziale der einzelnen Wicklungsdrähte werden zunächst in Testreihen in Abhängigkeit verschiedener Frequenzen ermittelt. Ausgehend von den ermittelten Potentialen wird ein Wicklungsschema ermittelt, bei welchem benachbarte Drähte möglichst geringe Potenzialunterschiede aufweisen. Ein derartiger Stator hat den Nachteil, dass das hieraus abgeleitete Wicklungsschema für die Hairpin-Technologie nicht geeignet ist, da Wicklungsdrähte gleicher Nutpositionen in den Wickelköpfen einander kreuzen und somit miteinander kollidieren würden. Zudem sind die ermittelten Potenziale frequenzabhängig, sodass das ermittelte Wicklungsschema nur für bestimmte Frequenzen optimiert ist und bei anderen Frequenzen sogar nachteilig sein kann. Schließlich würde eine derartige Verschaltung der Drahtenden der Wicklungsdrähte eine sehr komplexe Platine erfordern, die aufwendig herzustellen und zu montieren ist, sodass die Herstellungskosten einer solchen Elektromaschine verhältnismäßig hoch sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Stator der Hairpin Technologie zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Stator für eine dreiphasige Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, eine Elektromaschine und ein Kraftfahrzeug zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise derart reduzierte Potentialunterschiede zwischen in einer gemeinsamen Statornut benachbart angeordneten Wicklungsstäben unterschiedlicher Phasen aufweist, dass Teilentladungen zwischen den Wicklungsstäben reduziert sind.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch einen Stator für eine mehrphasige Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch eine Elektromaschine für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 11 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektromaschine sowie dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Stator für eine mehrphasige Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gelöst. Der Stator weist einen Statorgrundkörper mit einer ersten Grundkörperstirnseite, einer zweiten Grundkörperstirnseite, einer Grundkörperlängsachse, Statorzähnen und zwischen den Statorzähnen ausgebildeten Statornuten, sowie eine Mehrzahl von Wicklungsstäben auf, die in den Statornuten in radialer Richtung übereinander angeordnet sind. Die Wicklungsstäbe sind jeweils einer der unterschiedlichen Phasen des Stators zugeordnet und bilden eine Statorwicklung mit drei oder mehr Wicklungsphasen. Ferner sind die Wicklungsstäbe mit einer Blocksehnung in den Statornuten angeordnet. Die unterschiedlichen Wicklungsphasen sind über eine Stern- oder Dreieckschaltung miteinander verschaltet. Erfindungsgemäß sind die die Wicklungsstäbe in den einzelnen Statornuten derart angeordnet, dass Wicklungsanfänge der Wicklungsphasen von Wicklungsenden der jeweils anderen Wicklungsphasen durch jeweils mindestens einen Wicklungsstab voneinander beabstandet sind.
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Der Statorgrundkörper besteht beispielsweise aus Eisen oder weist zumindest Eisen und/oder ein ferromagnetisches Material auf. Vorzugsweise ist der Statorgrundkörper aus einer Vielzahl von Statorscheiben, vorzugsweise aus Elektroblech oder dergleichen, zusammengesetzt. Die Statorscheiben sind vorzugsweise zueinander elektrisch mittels eines Isoliermittels isoliert. Das Isoliermittel weist vorzugsweise Harz, Lack, Papier oder dergleichen auf. Der Statorgrundkörper ist koaxial zur Grundkörperlängsachse ausgebildet. Der Statorgrundkörper weist eine Mehrzahl von Statornuten auf, die vorzugsweise zur Grundkörperlängsachse hin offen sind und sich weiter bevorzugt parallel zur Grundkörperlängsachse durch den Statorgrundkörper erstrecken. Die Statornuten weisen in radialer Richtung eine Nuttiefe auf. Ferner sind die Statornuten in Umfangsrichtung des Statorgrundkörpers durch die Statorzähne begrenzt. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Statornuten gleichmäßig oder zumindest regelmäßig über Statorgrundkörper verteilt sind. Es ist bevorzugt, dass in den Statornuten elektrisches Nutisoliermaterial, welches insbesondere als Vergussmasse in die Statornuten einbringbar ist, angeordnet ist. Das Nutisoliermaterial ist vorzugsweise an einer Nutwandung der Statornut angeordnet. Der Statorgrundkörper ist in axialer Richtung durch die erste Grundkörperstirnseite und die zweite Grundkörperstirnseite begrenzt.
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Die Wicklungsstäbe sind in Form von Hairpins ausgebildet, wobei ein Hairpin jeweils vorzugsweise zwei Wicklungsstäbe aufweist, welche durch einen gemeinsamen Biegebereich miteinander verbunden sind. Die Wicklungsstäbe eines Hairpins erstrecken sich vorzugsweise parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel. Die Hairpins sind somit u-förmig oder zumindest im Wesentlichen u-förmig ausgebildet. Die Wicklungsstäbe sind weiter bevorzugt aus einem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer oder dergleichen, gebildet. Weiter bevorzugt sind die Wicklungsstäbe umfänglich elektrisch isoliert, um einen Kurzschluss zwischen benachbarten Wicklungsstäben zu vermeiden. Die Wicklungsstäbe weisen vorzugsweise einen rechteckigen Stabquerschnitt auf. Vorzugsweise weisen die Wicklungsstäbe eine Stabbreite auf, welche einer Nutbreite der Statornuten entspricht oder geringfügig kleiner ist, sodass eine Bewegung der Wicklungsstäbe in Umfangsrichtung durch die Statorzähne formschlüssig begrenzt ist. Die Wicklungsstäbe weisen vorzugsweise eine Stabhöhe auf, welche kleiner als die Stabbreite ist. Ein Verhältnis von Stabhöhe zu Stabbreite beträgt vorzugsweise zwischen 1:2 und 4:5, vorzugsweise etwa 2:3. Demnach weisen die Wicklungsstäbe vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt mit unterschiedlichen Kantenlängen auf.
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Die Wicklungsstäbe sind in den Statornuten in radialer Richtung übereinander angeordnet, sodass in jeder Statornut vorzugsweise dieselbe Anzahl an Wicklungsstäben angeordnet ist, beispielsweise 6 oder 8 Wicklungsstäbe je Statornut. An der ersten Grundkörperstirnseite und der zweiten Grundkörperstirnseite ist vorzugsweise jeweils ein Wickelkopf des Stators ausgebildet. Vorzugsweise bilden die aus den Statornuten an der ersten Grundkörperstirnseite herausgeführten Biegebereiche der Hairpins einen ersten Wickelkopf und aus den Statornuten an der zweiten Grundkörperstirnseite herausgeführte Stabenden der Wicklungsstäbe einen zweiten Wickelkopf. Zur Herstellung der mehrphasigen Statorwicklung sind die Stabenden gezielt paarweise miteinander elektrisch gekoppelt, beispielsweise durch Schweißen, Löten, Crimpen oder dergleichen. Ausgenommen hiervon sind Wicklungsanfänge und Wicklungsenden der Wicklungsphasen. Auf diese Weise sind beispielsweise mehrere Hairpins miteinander in Serie verbunden und bilden somit die Wicklung einer Phase mit einem Wicklungsanfang und einem Wicklungsende. Eine derartige Verschaltung ist vorzugsweise für sämtliche Phasen, beispielsweise drei Phasen, bereitgestellt. Hierbei kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die den einzelnen Phasen zugeordneten Wicklungen als voneinander getrennte Wicklungen mit jeweils einem Wicklungsanfang und einem Wicklungsende ausgebildet sind, sodass die einzelnen Phasen mehrere voneinander getrennte Wicklungen mit jeweils einem Wicklungsanfang und jeweils einem Wicklungsende aufweisen können.
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Vorzugsweise bilden die aus den Statornuten an der ersten Grundkörperstirnseite herausgeführten Biegebereiche der Hairpins, vorzugsweise in radialer Richtung, zwei auf einander angeordnete Schichten. Die unterste Schicht des ersten Wickelkopfes im Biegebereich besteht bei 8 Wicklungsstäbe in der Statornut bevorzugt aus Hairpins mit den Schenkeln in den Nutpositionen 3-5 und 4-6. Die oberste Schicht des ersten Wickelkopfes besteht bei Wicklungsstäbe bevorzugt aus Hairpins mit den Schenkeln in den Nutpositionen 1-7 und 2-8. Die unterste Schicht des ersten Wickelkopfes im Biegebereich besteht bei 6 Wicklungsstäbe bevorzugt aus Hairpins mit dem Schenkel der Nutpositionen 3-4. Die oberste Schicht des ersten Wickelkopfes besteht bei Wicklungsstäbe bevorzugt aus Hairpins mit dem Schenkel der Nutpositionen 1-5 und 2-6.
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Die Wicklungsstäbe sind mit einer Blocksehnung in den Statornuten angeordnet. Demnach sind die Wicklungsstäbe einer Wicklungsphase zu mehreren, beispielsweise zwei, Blöcken zusammengefasst, wobei die Blöcke einer Wicklungsphase jeweils mindestens eine gemeinsame Statornut mit einem Block derselben Wicklungsphase und jeweils mindestens eine gemeinsame Statornut mit einem Block einer anderen Wicklungsphase belegen. Ferner sind die Wicklungsphasen mittels einer Dreieck- oder Sternschaltung miteinander verschaltet.
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Die Wicklungsstäbe einer Wicklungsphase weisen jeweils zwischen einem Wicklungsanfang und einem Wicklungsende einen maximalen Potentialunterschied auf. Um zu vermeiden, dass Potentialmaxima mit Potentialminima benachbarte Wicklungsstäbe verschiedener Wicklungsphasen in den Statornuten zusammenfallen, sieht der erfindungsgemäße Stator vor, dass bei einer Sternschaltung oder Dreieckschaltung die Wicklungsanfänge und Wicklungsenden der unterschiedlichen Wicklungsphasen in den Statornuten durch mindestens einen Wicklungsstab, vorzugsweise mindestens zwei Wicklungsstäbe voneinander getrennt sind. Besonders bevorzugt sind auch die Wicklungsanfänge der unterschiedlichen Wicklungsphasen durch mindestens einen Wicklungsstab, vorzugsweise mindestens zwei Wicklungsstäbe, in einer Statornut oder benachbarten Statornuten voneinander beabstandet angeordnet. Ebenfalls bevorzugt sind auch die Wicklungsenden der unterschiedlichen Wicklungsphasen durch mindestens einen Wicklungsstab, vorzugsweise mindestens zwei Wicklungsstäbe, in einer Statornut oder benachbarten Statornuten voneinander beabstandet angeordnet.
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Ein erfindungsgemäßer Stator hat gegenüber herkömmlichen Statoren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise durch die Vermeidung direkter benachbarter Anordnungen der Wicklungsanfänge und Wicklungsenden der unterschiedlichen Wicklungsphasen Teilentladungen zwischen den Wicklungsstäben vermieden oder zumindest reduziert sind. Der erfindungsgemäße Stator weist somit eine höhere Effizienz, d. h. bei gleichen Abmessungen eine höhere Leistung, sowie einen geringeren Verschleiß auf.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Wicklungsphasen über eine Sternschaltung miteinander verschaltet sind, wobei Wicklungspositionen direkt benachbarter Wicklungsstäbe verschiedener Wicklungsphasen maximal die Hälfte einer Wicklungslänge vom Sternpunkt beabstandet sind. Unter einer Wicklungslänge wird im Rahmen der Erfindung eine Distanz zwischen einem Wicklungsanfang und einem Wicklungsende verstanden. Somit ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass beispielsweise ein Wicklungsstab, welcher eine Wicklungsmitte einer ersten Wicklungsphase bildet, in der Statornut nur neben einem Wicklungsstab einer zweiten Wicklungsphase angeordnet ist, welcher die Hälfte oder weniger einer Wicklungslänge der zweiten Wicklungsphase vom zweiten Wicklungsanfang der zweiten Wicklungsphase entfernt ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein verbesserter Schutz vor Teilentladungen zwischen den Wicklungsstäben bereitgestellt ist. Der erfindungsgemäße Stator weist somit eine höhere Effizienz sowie einen geringeren Verschleiß auf.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Stator vorgesehen sein, dass die Wicklungsphasen über eine Dreieckschaltung miteinander verschaltet sind, wobei die Wicklungspositionen benachbarter Wicklungsstäbe verschiedener Phasen um maximal zwei Drittel einer Wicklungslänge der Wicklungsphasen voneinander unterscheiden. Unter einer Wicklungslänge wird im Rahmen der Erfindung eine Distanz zwischen einem Wicklungsanfang und einem Wicklungsende verstanden. Somit ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass beispielsweise ein erster Wicklungsanfang einer ersten Wicklungsphase in der Statornut bei einer Dreieckschaltung nur neben einem Wicklungsstab einer zweiten Wicklungsphase angeordnet ist, welcher maximal zwei Drittel einer Wicklungslänge der zweiten Wicklungsphase vom zweiten Wicklungsanfang der zweiten Wicklungsphase entfernt ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein verbesserter Schutz vor Teilentladungen zwischen den Wicklungsstäben bereitgestellt ist. Der erfindungsgemäße Stator weist somit eine höhere Effizienz sowie einen geringeren Verschleiß auf.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass sich Wicklungspositionen benachbarter Wicklungsstäbe verschiedener Phasen um minimal ein Drittel der Wicklungslänge voneinander unterscheiden. Demnach ist beispielsweise ein erster Wicklungsanfang einer ersten Wicklungsphase in der Statornut nur neben einem Wicklungsstab einer zweiten Wicklungsphase angeordnet, welcher minimal ein Drittel der Wicklungslänge der zweiten Wicklungsphase vom zweiten Wicklungsanfang der zweiten Wicklungsphase entfernt ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein verbesserter Schutz vor Teilentladungen zwischen den Wicklungsstäben bereitgestellt ist. Der erfindungsgemäße Stator weist somit eine höhere Effizienz sowie einen geringeren Verschleiß auf.
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Weiter bevorzugt ist zwischen in einer oder benachbarten Statornuten angeordneten Wicklungsstäben unterschiedlicher Wicklungsphasen mit einer größten unterschiedlichen Wicklungsposition eine zusätzliche Isoliervorrichtung angeordnet. Die Isoliervorrichtung kann beispielsweise als zusätzliche oder dickere Beschichtung eines Wicklungsstabs gegenüber anderen Wicklungsstäben ausgebildet sein, wie beispielsweise Backlack oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich kann die Isoliervorrichtung als Zwischenlage ausgebildet sein. Die größte unterschiedliche Wicklungsposition ist über die gesamte Statorwicklung durch Bestimmen der Lagen der Wicklungsstäbe innerhalb der jeweiligen Wicklungsphasen und innerhalb der jeweiligen Statornuten ermittelbar. Eine theoretisch maximal mögliche unterschiedliche Wicklungsposition ist die direkte Anordnung eines ersten Wicklungsanfangs einer ersten Wicklungsphase neben einem zweiten Wicklungsende einer zweiten Wicklungsphase, wobei eine derartige direkte Anordnung erfindungsgemäß ausgeschlossen ist, da mindestens ein weiterer Wicklungsstab dazwischen angeordnet ist. Bei den größten unterschiedlichen Wicklungspositionen ist das Risiko von Teilentladungen aufgrund der Potentialunterschiede der Wicklungsphasen am höchsten, sodass dieses Risiko mittels der zusätzlichen Isoliervorrichtung reduzierbar ist. Bei kleineren unterschiedlichen Wicklungspositionen ist dieses Risiko bereits geringer, sodass die Isoliervorrichtung weniger relevant ist. Vorzugsweise ist die Isoliervorrichtung bis zu einer mittleren unterschiedlichen Wicklungsposition fortgeführt, vorzugsweise als gradierend abnehmende Isoliervorrichtung. An den übrigen Wicklungspositionen ist vorzugsweise keine Isoliervorrichtung bzw. lediglich eine einfache elektrische Isolierung der Wicklungsstäbe angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein verbesserter Schutz vor Teilentladungen zwischen den Wicklungsstäben bereitgestellt ist. Der erfindungsgemäße Stator weist somit eine höhere Effizienz sowie einen geringeren Verschleiß auf.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Stators kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zwischen in einer oder benachbarten Statornuten angeordneten Wicklungsstäben unterschiedlicher Wicklungsphasen mit einer kleinsten unterschiedlichen Wicklungsposition keine zusätzliche Isoliervorrichtung angeordnet ist. Die kleinste unterschiedliche Wicklungsposition ist über die gesamte Statorwicklung durch Bestimmen der Lagen der Wicklungsstäbe innerhalb der jeweiligen Wicklungsphasen und innerhalb der jeweiligen Statornuten ermittelbar. Eine theoretisch minimal mögliche unterschiedliche Wicklungsposition ist die direkte Anordnung eines ersten Wicklungsanfangs einer ersten Wicklungsphase neben einem zweiten Wicklungsanfang einer zweiten Wicklungsphase, wobei eine derartige Anordnung im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein kann. Bei der kleinsten unterschiedlichen Wicklungsposition ist das Risiko von Teilentladungen aufgrund der geringen Potentialunterschiede der Wicklungsphasen am geringsten, sodass eine zusätzliche Isoliervorrichtung entbehrlich sein kann. Vorzugsweise weist der Stator bis zu der mittleren unterschiedlichen Wicklungsposition keine zusätzliche Isoliervorrichtung auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Kupferanteil im Stator durch Vermeidung überflüssiger Isolierungen bei gleichem Bauraumbedarf erhöht und somit eine Effizienz des Stators verbessert ist.
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Vorzugsweise sind in den Statornuten jeweils insgesamt sechs Wicklungsstäbe angeordnet, wobei jede Wicklungsphase zwei parallele Wicklungsspulen aufweist. Der Stator weist zudem vorzugsweise 48 Statornuten auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein kompakter Stator für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt ist.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in den Statornuten jeweils insgesamt acht Wicklungsstäbe angeordnet, wobei jede Wicklungsphase vier parallele Wicklungsspulen aufweist. Der Stator weist zudem vorzugsweise 48 Statornuten auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein kompakter Stator für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt ist.
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Besonders bevorzugt sind Wicklungsphaseneingänge und Wicklungsphasenausgänge der Wicklungsphasen allesamt auf der ersten Grundkörperstirnseite des Statorgrundkörpers angeordnet. Demnach ist es bevorzugt, dass sämtliche Wicklungsphaseneingänge sowie sämtliche Wicklungsphasenausgänge der Wicklungsphasen auf derselben Seite des Statorgrundkörpers angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein kompakter Stator für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Elektromaschine für ein Kraftfahrzeug gelöst. Die Elektromaschine weist einen Rotor mit einer Rotorlängsachse auf. Erfindungsgemäß weist die Elektromaschine einen erfindungsgemäßen Stator auf. Die Rotorlängsachse ist vorzugsweise koaxial zur Grundkörperlängsachse des Stators angeordnet.
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Bei der erfindungsgemäßen Elektromaschine ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Stator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat die erfindungsgemäße Elektromaschine gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise durch die Vermeidung direkter benachbarter Anordnungen der Wicklungsanfänge und Wicklungsenden der unterschiedlichen Wicklungsphasen Teilentladungen zwischen den Wicklungsstäben vermieden oder zumindest reduziert sind. Die erfindungsgemäße Elektromaschine weist somit eine höhere Effizienz, d. h. bei gleichen Abmessungen eine höhere Leistung, sowie einen geringeren Verschleiß auf.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug gelöst. Das Kraftfahrzeug weist ein elektrisches Antriebssystem oder ein hybrides Antriebssystem auf. Erfindungsgemäß weist das Antriebssystem eine erfindungsgemäße Elektromaschine auf. Bei einem hybriden Antriebssystem ist die Elektromaschine vorzugsweise zum unterstützenden Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Elektromaschine bei einem hybriden Antriebssystem zum alleinigen Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Bei einem elektrischen Antriebssystem ist die Elektromaschine zum alleinigen Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Erfindungsgemäß kann das elektrische Antriebssystem oder das hybride Antriebssystem auch mehrere Elektromaschinen aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Stator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie zu einer Elektromaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise durch die Vermeidung direkter benachbarter Anordnungen der Wicklungsanfänge und Wicklungsenden der unterschiedlichen Wicklungsphasen Teilentladungen zwischen den Wicklungsstäben des Stators der Elektromaschine vermieden oder zumindest reduziert sind. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist somit eine Elektromaschine mit einer höheren Effizienz, d. h. bei gleichen Abmessungen eine höhere Leistung, sowie einem geringeren Verschleiß auf.
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Ein erfindungsgemäßer Stator, eine erfindungsgemäße Elektromaschine sowie ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer perspektivischen explodierten Ansicht eine Elektromaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 in einer Schnittdarstellung einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Stators,
- 3 ein Wicklungsschema eines Stators gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 4 ein Wicklungsschema eines Stators gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung,
- 5 in einer axialen Draufsicht eine bevorzugte Anordnung einer Wicklung einer Phase für acht Wicklungsstäbe pro Statornut,
- 6 in einer axialen Draufsicht eine bevorzugte Anordnung einer Wicklung einer Phase für sechs Wicklungsstäbe pro Statornut, und
- 7 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 7 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Elektromaschine 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer perspektivischen explodierten Ansicht dargestellt. Die Elektromaschine 2 weist einen erfindungsgemäßen Stator 1 mit einem Statorgrundkörper 4 und eine dreiphasige Statorwicklung aus einer Vielzahl von als Hairpins ausgebildeten Wicklungsstäben 10 auf. Der Statorgrundkörper 4 weist eine erste Grundkörperstirnseite 5, eine zweite Grundkörperstirnseite 6 sowie eine Grundkörperlängsachse 7 auf. Ferner weist die Elektromaschine 2 einen Rotor 14 mit einer koaxial zur Grundkörperlängsachse 7 ausgebildeten Rotorlängsachse 15 sowie ein mehrteiliges Motorgehäuse 17 und eine Leistungselektronik 18 zum Bestromen des Stators 1 auf.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Stators 1 schematisch in einer Schnittdarstellung. In dieser Ansicht sind Statorzähne 8 des Statorgrundkörpers 4 im Bereich einer ersten Grundkörperstirnseite 5 des Statorgrundkörpers 4 erkennbar. Zwischen jeweils zwei Statorzähnen 8 ist eine Statornut 9 des Stators 1 ausgebildet, in welcher jeweils ein Wicklungsstab 10 angeordnet ist. Jeweils zwei Wicklungsstäbe 10 sind monolithisch miteinander ausgebildet und weisen an der ersten Grundkörperstirnseite 5 einen gemeinsamen Biegebereich auf.
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In 3 ist ein Wicklungsschema eines Stators 1 gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung schematisch abgebildet. Das Wicklungsschema zeigt achtundvierzig Statornuten 9, in welchen jeweils acht Wicklungsstäbe 10 angeordnet sind. Jede der Statornuten 9 weist somit acht Nutpositionen auf, wobei eine in dieser Darstellung obere Nutposition als erste Nutposition bezeichnet wird und die darunter angeordneten Nutpositionen bis zur untersten achten Nutposition durchnummeriert sind. Jede Wicklungsphase weist vier parallele Spulen mit jeweils einem Wicklungsanfang 11 und einem Wicklungsende 12 auf. Die Wicklungsstäbe 10 sind mit einer Blocksehnung von jeweils vier Wicklungsstäben 10 angeordnet. In der Mitte des Wicklungsschemas sind acht benachbarte Wicklungsstäbe 10 beispielhaft dargestellt, welche jeweils paarweise monolithisch miteinander ausgebildet sind und einen gemeinsamen Biegebereich aufweisen. Die Wicklungsstäbe 10 sind in Statornuten 9 einundzwanzig und sechsundzwanzig angeordnet. Ein erstes Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition acht und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition zwei angeordnet. Ein zweites Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition sieben und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition eins angeordnet. Ein drittes Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition sechs und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition vier angeordnet. Ein viertes Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition fünf und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition drei angeordnet.
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4 zeigt ein Wicklungsschema eines Stators 1 gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das Wicklungsschema zeigt achtundvierzig Statornuten 9, in welchen jeweils sechs Wicklungsstäbe 10 angeordnet sind. Jede der Statornuten 9 weist somit sechs Nutpositionen auf, wobei eine in dieser Darstellung obere Nutposition als erste Nutposition bezeichnet wird und die darunter angeordneten Nutpositionen bis zur untersten sechsten Nutposition durchnummeriert sind. Jede Wicklungsphase weist zwei parallele Spulen mit jeweils einem Wicklungsanfang 11 und einem Wicklungsende 12 auf. Die Wicklungsstäbe 10 sind mit einer Blocksehnung von jeweils drei Wicklungsstäben 10 angeordnet. Die Wicklungsstäbe 10 an den Wicklungsanfängen 11 weisen eine zusätzliche Isoliervorrichtung 13 zur Reduzierung des Risikos von Teilentladungen auf. In der Mitte des Wicklungsschemas sind sechs benachbarte Wicklungsstäbe 10 beispielhaft dargestellt, welche jeweils paarweise monolithisch miteinander ausgebildet sind und einen gemeinsamen Biegebereich aufweisen. Die Wicklungsstäbe 10 sind in Statornuten 9 einundzwanzig und sechsundzwanzig angeordnet. Ein erstes Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition sechs und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition zwei angeordnet. Ein zweites Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition fünf und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition eins angeordnet. Ein drittes Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition vier und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition drei angeordnet.
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In 5 ist eine bevorzugte Anordnung einer Wicklung einer Phase für acht Wicklungsstäbe 10 pro Statornut 9 schematisch in einer axialen Draufsicht in Bezug auf die Grundkörperlängsachse 7 dargestellt. Ein hierzu korrespondierendes Wicklungsschema ist in 3 schematisch dargestellt. Die Wicklung ist in Umfangsrichtung des Stators 1 derart geführt, dass der Wicklungsanfang 11 und das Wicklungsende 12 einander direkt benachbart angeordnet sind, wobei der Wicklungsstab 10 des Wicklungsanfangs 11 den Wicklungsstab 10 des Wicklungsendes 12 in radialer Richtung von außen umgibt. Somit sind die Wicklungsstäbe 10 vom Wicklungsanfang 11 zu einer Wicklungsmitte hin zunächst in den Nutpositionen eins, zwei, acht und sieben und ab der Wicklungsmitte zum Wicklungsende 12 hin in den Nutpositionen drei, vier, sechs und fünf angeordnet.
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6 zeigt eine bevorzugte Anordnung einer Wicklung einer Phase für sechs Wicklungsstäbe 10 pro Statornut 9 schematisch in einer axialen Draufsicht in Bezug auf die Grundkörperlängsachse 7. Ein hierzu korrespondierendes Wicklungsschema ist in 4 schematisch dargestellt. Die Wicklung ist in Umfangsrichtung des Stators 1 derart geführt, dass der Wicklungsanfang 11 und das Wicklungsende 12 voneinander derart entfernt angeordnet sind, dass zwischen dem Wicklungsstab 10 des Wicklungsanfangs 11 und dem Wicklungsstab 10 des Wicklungsendes 12 in radialer Richtung ein Wicklungsstab 10 eines mittleren Bereichs der Wicklung angeordnet ist. Somit sind die Wicklungsstäbe 10 vom Wicklungsanfang 11 zum Wicklungsende 12 hin zunächst in zwei ersten Dritteln der Wicklung in den Nutpositionen eins, zwei, sechs und fünf und zum Wicklungsende 12 hin in einem dritten Drittel der Wicklung in den Nutpositionen drei und vier angeordnet.
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In 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 3 schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Das Kraftfahrzeug 3 weist ein elektrisches Antriebssystem 16 mit einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 3, einer Traktionsbatterie 20 zum Bereitstellen elektrischer Energie zum Betreiben der Elektromaschine 2 sowie einem Getriebe 19 zum gezielten Wandeln einer Ausgangsdrehzahl der Elektromaschine 2 auf. Die Elektromaschine 2 weist einen Rotor 14 mit einer Rotorlängsachse 15 sowie einen erfindungsgemäßen Stator 1 mit einer koaxial zur Rotorlängsachse 15 angeordneten Grundkörperlängsachse 7 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Elektromaschine
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Statorgrundkörper
- 5
- erste Grundkörperstirnseite
- 6
- zweite Grundkörperstirnseite
- 7
- Grundkörperlängsachse
- 8
- Statorzahn
- 9
- Statornut
- 10
- Wicklungsstab
- 11
- Wicklungsanfang
- 12
- Wicklungsende
- 13
- Isoliervorrichtung
- 14
- Rotor
- 15
- Rotorlängsachse
- 16
- Antriebssystem
- 17
- Motorgehäuse
- 18
- Leistungselektronik
- 19
- Getriebe
- 20
- Traktionsbatterie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0006516 A1 [0008]
