DE102022208047A1

DE102022208047A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102022208047A1
Application number: DE102022208047.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kohlhauser; Birgit Lipp
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2024-02-08
Also published as: WO2024028111A1

Abstract

Elektrische Maschine (1) mit Ölkühlung mit einem Rotor (3) und einem Stator (2), wobei der Stator (2) aus Statorblechen (10) aufgebaut ist, die radial verlaufende Wicklungsnuten (4) aufweisen, wobei die Wicklungsnuten mit Haarnadel-Drähten (5) wenigstens teilweise gefüllt sind, wobei in den Wicklungsnuten und/oder an den Haarnadel-Drähten (5) Vorrichtungen vorgesehen sind, die allein oder im Zusammenspiel eine Festlegung der Haarnadel-Drähte (5) in vorgesehen Positionen erlauben und so Kühlkanäle (7) definieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator Wickelnuten für die Aufnahme von Haarnadel-Drähten aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Elektrische Antriebe für Fahrzeuge gewinnen an Bedeutung. Aktuell werden Statoren von elektrischen Maschinen mit Haarnadel-Wicklung vor dem eigentlichen Einbringen der Drähte imprägniert oder mit Kunststoff vergossen. Das heißt, dass der gewickelte Stator zusätzlich zur Fixierung der Wicklung in den Wickelnuten als auch der Wickelköpfe am Stator mit einem Harz oder Ähnlichem behandelt wird. Es ist eine entsprechende Menge an Harz oder VergussMaterial erforderlich, um den gesamten Stator zu benetzen.
Der Stator muss auch an bestimmten Bereichen wie beispielsweise dem Stator-Innendurchmesser entsprechend abgedeckt werden, um überschüssig anhaftendes Material z.B. im Luftspalt zum Rotor zu vermeiden.
Dabei haben Anwendungen mit in Wickelnuten des Stators integrierten Kühlkanälen den Nachteil, dass durch diese Verguss-Prozesse die Kanäle verstopft werden können und sich dadurch die Kühlleistung verschlechtert. Das traditionell verwendete Imprägnierverfahren ist das Tauchen. Es wird im Allgemeinen für Elektromotoren, Generatoren und bei der Herstellung von Transformatoren verwendet. Bei diesem Verfahren werden die Teile in Tauchbecken getaucht, die mit einem geeigneten Imprägnierharz gefüllt sind. Nach einer bestimmten Zeit des Eintauchens werden die Teile zum Trocknen in einen Ofen gelegt.
Dadurch werden die Drahtwicklung und der Kern zu einer festen und mechanisch stabilen Einheit.
Gemeinsam ist diesen Verfahren ein relativ hoher Harzverbrauch und die Notwendigkeit der anschließenden Reinigung der Bauteile. Außerdem müssen die mit mehreren hundert Litern Epoxid- oder Polyesterharz gefüllten Tauchtanks regelmäßig geleert und gereinigt werden. Diese Verfahren sind nicht mit den aktuellen Anforderungen an eine nachhaltige und „grüne“ Produktionsumgebung vereinbar und verursachen zudem hohe Betriebskosten.
Beim heißen Eintauchen wird die Imprägnierung durch Vorwärmen der Bauteile aufgebracht, um viskose Imprägniermittel zu verarbeiten. Die Viskosität von Harz und anderen Dichtungsprodukten kann bei vorgewärmten Bauteilen verringert werden, was eine höhere Penetration ermöglicht. Es wird eine geringe oder keine Prozessüberwachung erreicht.
Beim Vertikalen Eintauchen wird das Bauteil vorgewärmt und dann vollständig in das Harz getaucht; das Bauteil wird in einem bestimmten Winkel abgelassen und folgt dann dem restlichen Prozess, bis das Harz oder der Lack versiegelt ist.
Beim Stator-Vollverguss wird eine Form oder Basis vorbereitet und nimmt ein vorgewärmtes Bauteil auf. Nach dem Eingießen des Vergussmaterials in das Bauteil wird die Form gepresst; es ist auch möglich, die Form zuerst zu setzen und dann das Vergussmaterial von unten mit Hilfe eines Vakuums zu injizieren. Dieses Verfahren gewährleistet eine hohe Qualität des Endprodukts und eine sehr gute Wärmeableitung des Motors. Aufgrund seiner Komplexität hat dieses Verfahren eine geringe Produktivität.
Aus der US 2015076954 A1 ist eine elektrische Maschine mit Rotor und Stator bekannt. Der Stator umfasst einen ringförmigen Kern, mehrere Statorkeile und mehrere Keilhaltestrukturen.
Der Kern umfasst eine Vielzahl von bogenförmig beabstandeten Zähnen. Eine Umspritzung bedeckt im Wesentlichen den gesamten Kern. Die Umspritzung umfasst ein Kunstharzmaterial und umfasst am bevorzugtesten Polyethylen. Gemäß einigen Aspekten der Offenbarung ist es auch zulässig, dass die Isolierung zusätzlich oder ausschließlich durch eine oder mehrere diskrete isolierende Strukturen (z. B. nichtleitende Zungen oder Überzüge) und/oder durch zumindest teilweises Beschichten des Kerns mit einer elektrisch leitenden Schicht bereitgestellt wird. Die Umspritzung definiert die Drahtführungsstruktur und die Statorbefestigungsstruktur. Die Wände sind nicht konzentrisch oder die Führung wird über Haken und Portale statt über die Wände erreicht.
Das Umspritzen von Aktivteilen der elektrischen Maschine ist gegenwärtig ein probates Mittel, um unterschiedlichen Anforderungen im elektrischen Traktionsantrieb zu begegnen. Beispielhafte bekannte Ausführungen sind das der umspritzte Rotor, wobei die Umspritzung zur Positionierung und Fixierung der Magnete als auch der Elektrobleche zueinander dient.
Zur Fixierung der Wicklungsdrähte in einem Stator werden die unterschiedlichsten Imprägnierungs- bzw. Fixierungsmethoden verwendet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Befestigung Haarnadel-Drähte in den Wicklungsnuten des Stators vorzuschlagen, um Imprägnationsmaterial einzusparen und den Fixierungsprozess zu optimieren.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst mit einer elektrischen Maschine mit Ölkühlung mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Stator aus Statorblechen aufgebaut ist, die radial verlaufende Wicklungsnuten aufweisen, wobei die Wicklungsnuten mit Haarnadel-Drähten wenigstens teilweise gefüllt sind, wobei in den Wicklungsnuten und/oder an den Haarnadel-Drähten Vorrichtungen vorgesehen sind, die allein oder im Zusammenspiel einen Festlegung der Haarnadel-Drähte in vorgesehen Positionen erlauben und so Kühlkanäle definieren.
Durch Anwendung eines Spritzgussprozesses können bei der Ausführung eines direkt umspritzten Stators dünne Wandstärken erzielt werden. Dadurch ist es möglich, den Luftspalt zwischen Rotor und Stator möglichst klein auszuführen, um Leistungseinbußen zu vermeiden.
Durch das gezielte Einbringen der Haarnadel-Drähte werden Kühlkanäle gestaltet, die eine gezielte Kühlung der Wicklungen durch Öl im Stator ermöglichen.
Durch die Positionierungen und das Fügen der Haarnadel-Drähte sind diese bereits am Stator fixiert, so dass der Stator einfacher zu handhaben ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt eine Gestaltungsfreiheit bezüglich der Anordnung der Kühlkanäle nämlich innen, außen und zwischen den Haarnadel-Drähten in der Wicklungsnut.
Die Isolation der Wicklungsnuten umfasst Haltenasen als Anlage für Wicklungsdraht, die mit demselben Kunststoff aus einem weitergehenden Spritzgussprozess hergestellt sind. Dadurch erreicht man eine einfache Herstellung dieser Anlagen für den Wicklungsdraht.
Es können auch Einleger für Haltenasen als Anlage für einen Wicklungsdraht umspritzt sein.
Die Haltenasen dienen nicht nur als Anschläge sondern auch als radiale Begrenzung von Kühlkanälen in den Wicklungsnuten.
Als Vorrichtung dient alternativ ein Übermaß in der Dicke der Haarnadel-Drähte, so dass sie in den Wicklungsnuten verpresst sind. Die Verpressung erfolgt in den mit der Isolation ausgespritzten Wicklungsnuten.
Als Vorrichtung dienen alternativ Haarnadel-Drähte, die eine Wellenform in ihrer Längserstreckung aufweisen, die zu Kontakten mit der Wicklungsnut, genauer der Isolation der Wicklungsnut führt.
Als Vorrichtung dient alternativ eine Klemmeinrichtung mit einem Einlegeteil. Dadurch lassen sich Kühlkanäle ausbilden, die durch das Einlegeteil vordefiniert sind. Das Einlegeteil dient aber auch als Lager, gegen das die Haarnadel-Drähte verspannt werden.
Als Vorrichtung dient alternativ eine Ummantelung oder Beschichtung, die mit dem Kunststoff der Umspritzung durch einen Wärmeeintrag verbindbar ist.
Als Vorrichtung dient in einer Ausführungsform eine nicht ausgehärtete Umspritzung des Stators, in die die Haarnadel-Drähte eingebracht, eingesteckt werden. Erst danach härtet der Kunststoff mit den positionierten Haarnadel-Drähten aus.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit den Schritten:

- Herstellen und Schichten von Statorblechen,
- Einbringen des Blechpakets aus Statorblechen in eine Spritzgussform,
- Herstellen von Isolation in den Wicklungsnuten,
- gleichzeitiges Herstellen der Abdichtung,
- Einbringen der Haarnadel-Drähte, wobei die Haarnadel-Drähte gleichzeitig verspannt oder verklemmt werden.

Die Aufgabe wird auch gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit den Schritten:

- Herstellen und Schichten von Statorblechen,
- Einbringen des Blechpakets aus Statorblechen in eine Spritzgussform,
- Einbringen von ummantelten Haarnadel-Drähte in die Wicklungsnuten,
- anschließendes Herstellen von Isolation in den Wicklungsnuten unter Verbindung der Kunststoffe von Umspritzung und Ummantelung,
- gleichzeitiges Herstellen der Abdichtung.

Beschreibung der Figuren

1, 2 und 3 zeigen Schnitte durch einen Stator mit Wicklungsnuten,
4 und 5 zeigen Vergrößerungen der Wicklungsnuten,
6 zeigt eine alternative Ausführungsform,
7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform,
9, 10 zeigen eine weitere Ausführungsform.

In den 1 bis 3 sind Schnitte durch einen beispielhaften Stator 2 einer elektrischen Maschine 1 mit einem Rotor 3. Der Stator 2 weist Statorbleche 10 auf, in denen Wickelnuten 4 ausgebildet sind. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Wickelnuten nur bis zu einem Teil des Radius r der Statorbleche 10.
Entlang des Innenradius r_i des Stators 2 ist eine Abdichtung 8 zum Rotor 3 dargestellt. Es handelt sich um eine Kunststoffschicht, die über den Statorblechen eingespritzt wird. Gleichzeitig werden Wickelnuten 4 mit einer Isolation 9 versehen, die die Wickelnuten 4 mit einem Kunststoffmaterial ausgekleidet. Beide Kunststoffschichten gehen im Bereich der Abdichtung 8 gegenüber dem Rotor 3 ineinander über.
Um den Stator zu dichten, ist diese Abdichtung 8 des Stator-Raums zum rotierenden Rotor 3 erforderlich.
Im radialen Verlauf der Wickelnuten 4 sind Halte-bzw. Positioniernasen 6 eingebracht. Die Haltenasen 6 werden dabei im Spritzgussprozess gleichzeitig mit der Isolation 9 hergestellt.
4 zeigt in Vergrößerung eine Ausführungsform einer Wickelnut 4 mit Haltenasen 6. Die Haltenasen dienen zur Führung von Wicklungsdraht 5, der in Form von Haarnadelstrukturen in die Wickelnut 4 eingebracht wird. Die Haltenasen 6 definieren aber auch gleichzeitig Kühlkanäle 7 in der Wicklungsnut 4. In 1 ist eine Reihe von Kühlkanälen 7 nahe an der Abdichtung 8 ausgestaltet. In 2 werden zwei Sätze von Kühlkanälen hergestellt, indem Haltenasen 6 die beiden Endbereiche der Wicklungsnuten 4 freihalten. In 3 ist ein Satz von Kühlkanälen 7 in der Mitte der Wicklungsnuten 4 hergestellt, indem insgesamt an vier Positionen der Wicklungsnut 4 Haltenasen 6 vorgesehen sind.
In der 5 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, in der die Haltenasen 6 durch Einleger 6a ersetzt sind. Die Einleger 6a werden im Spritzprozess der Isolation 9 in die Wicklungsnuten 4 eingebracht.
Der beispielhafte Stator 2 wird direkt umspritzt und bildet in Kombination mit den auch umspritzten Wicklungsnuten 4 die tragende Struktur der Abdichtung. Somit kann die Dichtfläche bzw. Wandstärke zum trockenen Rotor-Raum möglichst dünnwandig ausgeführt werden, um die Luftspaltvergrößerung möglichst klein zu halten. Zusätzlich entfällt durch die Umspritzung der Wicklungsnuten 4 das Isolationspapier.
Durch gezielte Positionierung der Wicklungen bzw. Haarnadel-Drähte 5 in den Wicklungsnuten 4 werden die Kühlkanäle 7 ausgebildet.
Die 6 zeigt eine alternative Lösung. Wiederum werden die Wicklungsnuten 4 mit einer Isolation 9 versehen. Allerdings wird in dieser Ausführung auf Haltenasen 6 verzichtet. Die Haarnadel-Drähte 5 weisen ein Übermaß gegenüber der Spaltbreiten der Wicklungsnut 4 auf. Die Haarnadel-Drähte 5 werden in den Spalt der Wicklungsnut 4 eingepresst und durch diese Klemmung gehalten. Die Haarnadel-Drähte 5 können dann Kühlkanäle 7 an unterschiedlichen Positionen in den Wicklungsnuten 4 darstellen.
In den 7 und 8 wird eine weitere Ausführungsform dargestellt. Die Haarnadel-Drähte 5 werden auch in dieser Ausführungsform verklemmt, allerdings nicht durch ein Übermaß, sondern durch eine geometrische Ausformung. Vor allem in dem Schnittbild längst elektrischen Maschine, wie in 8 dargestellt, ist zu sehen, dass die Haarnadel-Drähte 5 eine Wellenform 5a aufweisen. Die Wellenform 5a erstreckt sich entlang des gesamten Stators 2 der elektrischen Maschine 1. Über die Wellenform 5a haben die Haarnadel-Drähte 5 Kontakt mit der Isolation 9 der Wicklungsnuten 4. Mehrere Kontaktpunkte entlang der Längserstreckung L der Wicklungsnuten 4 erlauben eine Fixierung der Haarnadel-Drähte 5.
Für die Umsetzung sind auch andere geometrische Formen denkbar, die die Haarnadel-Drähte 5 aufweisen.
Das Verfahren zur Herstellung der elektrischen Maschine 1 weist dabei folgende Schritte auf:

- Herstellen und Schichten von Statorblechen 10,
- Einbringen des Blechpakets aus Statorblechen 10 in eine Spritzgussform,
- Herstellen von Isolation 9 in den Wicklungsnuten 4,
- gleichzeitiges Herstellen der Abdichtung 8,
- Einbringen der Haarnadel-Drähte 5, wobei die Haarnadel-Drähte 5 gleichzeitig verspannt oder verklemmt werden.

Eine weitere Ausführungsform ist in den 9 und 10 dargestellt. In dieser Ausführungsform werden die Haarnadel-Drähte 5 in die isolierten Wicklungsnuten 4 eingebracht. Zur Halterung der Haarnadel-Drähte 5 dienen Einlegeteile 21 und Klemmelemente 20 zum Beispiel Wellfedern, die verhindern, dass die Haarnadel-Drähte 5 verrutschen. Über die Klemmelemente 20 werden die Haarnadel-Drähte 5 an die Einlegeteile 21 gepresst und in der Wicklungsnut 4 fixiert.
Darüber hinaus ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der die Haarnadel-Drähte 5 in einen Stator 2 eingebracht werden, dessen Isolationen 9 und Abdichtungen nach dem Umspritzen noch nicht ausgehärtet sind. Erst nachdem die Haarnadel-Drähte 5 eingebracht wurden, wird der Stator 2 mit seiner Umspritzung oder seinem Verguss ausgehärtet.
Das Verfahren sieht dann folgende Schritte vor:

- Herstellen und Schichten von Statorblechen 10,
- Einbringen des Blechpakets aus Statorblechen 10 in eine Spritzgussform,
- Herstellen von Isolation (9) in den Wicklungsnuten 4,
- gleichzeitiges Herstellen der Abdichtung 8,
- Einbringen der Haarnadel-Drähte 5 in die noch weiche Umspritzung und Isolation 9,
- anschließendes Aushärten der Umspritzung.

Eine ähnliche Lösung ergibt sich unter Verwendung von beschichteten Haarnadel-Drähten 5, die in die Wicklungsnuten 4 eingebracht werden. In diesem Fall muss keine Isolation der Wicklungsnuten 4 vorhanden sein. Beim anschließenden Umspritzen oder Ausgießen des Stators 2 werden die Beschichtungen der Haarnadel-Drähte 5 mit dem Gussmaterial durch Anschmelzen verbunden.
Das Verfahren zur Herstellung folgt den Schritten:

- Herstellen und Schichten von Statorblechen 10,
- Einbringen des Blechpakets aus Statorblechen10 in eine Spritzgussform,
- Einbringen von ummantelten Haarnadel-Drähte 5 in die Wicklungsnuten 4,
- anschließendes Herstellen von Isolation 9 in den Wicklungsnuten 4 unter Verbindung der Kunststoffe von Umspritzung und Ummantelung,
- gleichzeitiges Herstellen der Abdichtung 8.

Bezugszeichen

1: Elektrische Maschine
2: Stator
3: Rotor
4: Wickelnut
5: Haarnadel Draht
6: Halte- bzw. Positioniernasen
6a: Einleger Haltenase
7: Kühlkanäle
8: Abdichtung zum Rotor
9: Isolation
10: Statorbleche
15: Wickelkopf
20: Klemmelement
21: Einlegeteile
R: Rotationsachse
ra: Aussenradius
ri: Innenradius
L: Längserstreckung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2015076954 A1 [0010]

Claims

Elektrische Maschine (1) mit Ölkühlung mit einem Rotor (3) und einem Stator (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) aus Statorblechen (10) aufgebaut ist, die radial verlaufende Wicklungsnuten (4) aufweisen, wobei die Wicklungsnuten mit Haarnadel-Drähten (5) wenigstens teilweise gefüllt sind, wobei in den Wicklungsnuten und/oder an den Haarnadel-Drähten (5) Vorrichtungen vorgesehen sind, die allein oder im Zusammenspiel eine Festlegung der Haarnadel-Drähte (5) in vorgesehen Positionen erlauben und so Kühlkanäle (7) definieren.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine eingespritzte Isolation (9) der Wicklungsnuten (4) als Vorrichtung Haltenasen (6) zur Anlage für Haarnadel-Drähte (5) aufweist, die mit demselben Kunststoff in einem Spritzgussprozess hergestellt sind.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine eingespritzte Isolation (9) der Wicklungsnuten (4) als Vorrichtung Einleger (6a) für Haltenasen (6) als Anlage für Haarnadel-Drähte (5) aufweist, die in einem Spritzgussprozess mit hergestellt sind.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung ein Übermaß der Haarnadel-Drähte (5) dient, so dass sie in den Wicklungsnuten (4) verpresst sind.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung Haarnadel-Drähte (5) eine Wellenform (5a) in der Längserstreckung (L) aufweisen, die zu Kontakten mit der Wicklungsnut (4) führt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung eine Klemmeinrichtung (20) mit einem Einlegeteil (21) dient.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung eine Ummantelung oder Beschichtung der Haarnadel-Drähte (5) dient, die mit dem Kunststoff der Umspritzung verbindbar ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung einen nichtausgehärtete Umspritzung des Stators (2) dient, in die die Haarnadel-Drähte (5) eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6 mit den Schritten: - Herstellen und Schichten von Statorblechen (10), - Einbringen des Blechpakets aus Statorblechen (10) in eine Spritzgussform, - Herstellen von Isolation (9) in den Wicklungsnuten (4), - gleichzeitiges Herstellen der Abdichtung (8) - Einbringen der Haarnadel-Drähte (5), wobei die Haarnadel-Drähte (5) gleichzeitig verspannt oder verklemmt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrischen Maschine (1) nach Anspruch 8 mit den Schritten: - Herstellen und Schichten von Statorblechen (10), - Einbringen des Blechpakets aus Statorblechen (10) in eine Spritzgussform, - Herstellen von Isolation (9) in den Wicklungsnuten (4), - gleichzeitiges Herstellen der Abdichtung (8), - Einbringen der Haarnadel-Drähte (5) in die noch weiche Umspritzung und Isolation (9), - anschließendes Aushärten der Umspritzung.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrischen Maschine (1) nach Anspruch 7 mit den Schritten: - Herstellen und Schichten von Statorblechen (10), - Einbringen des Blechpakets aus Statorblechen (10) in eine Spritzgussform, - Einbringen von ummantelten Haarnadel-Drähten (5) in die Wicklungsnuten, - anschließendes Herstellen von Isolation (9) in den Wicklungsnuten (4) unter Verbindung der Kunststoffe von Umspritzung und Ummantelung, - gleichzeitiges Herstellen der Abdichtung (8).