EP4070435A1 - Axialflussmaschine mit mechanisch fixierten statorkernen mit radial verlaufenden blechsegmenten - Google Patents

Axialflussmaschine mit mechanisch fixierten statorkernen mit radial verlaufenden blechsegmenten

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Publication number
EP4070435A1
EP4070435A1 EP20807654.7A EP20807654A EP4070435A1 EP 4070435 A1 EP4070435 A1 EP 4070435A1 EP 20807654 A EP20807654 A EP 20807654A EP 4070435 A1 EP4070435 A1 EP 4070435A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
guide segments
flux machine
stator core
axial flux
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20807654.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Witt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4070435A1 publication Critical patent/EP4070435A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/18—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures
    • H02K1/182—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures to stators axially facing the rotor, i.e. with axial or conical air gap
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/02—Machines with one stator and two or more rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos

Definitions

  • the invention relates to an axial flux machine, preferably for a drive train of a purely electrically or hybrid-powered motor vehicle, with an annular stator and two rotor elements rotatably mounted relative to the stator about a (common) axis of rotation, a first rotor element being axially (along the axis of rotation) is arranged next to a first (axial) end face of the stator and a second rotor element is arranged axially next to a second (axial) end face of the stator, and wherein the stator has a plurality of stator cores distributed in a circumferential direction of a circular line extending around the axis of rotation .
  • WO 2018/015293 A1 discloses a stator for an axial flow machine with a stator area formed from several metal sheets and provided with teeth.
  • At least one stator core has a plurality of (magnetically conductive) conductive segments stacked (/ layered) one on top of the other in the circumferential direction, radially as well as plate-shaped (/ flat), with at least a subset of the conductive segments on its radia len
  • the outer side and / or its radial inner side has a holding contour received in a form-fitting manner on at least one support area that is fixed to the housing (/ fixed installation location).
  • the radially extending guide segments (preferably designed as sheet metal segments) ensure high mechanical strength against forces in the circumferential direction. This course of the Leitseg ments at the same time a good heat transport within the Leitsegmente to the outside (preferably for fixation) is made possible.
  • a high pole pitch (which is particularly advantageous for high torques) is achieved.
  • the holding contours on the guide segments make it easier to fix the stator core.
  • the guide segments of the at least one stator core are designed as identical parts, they can be produced particularly economically in series.
  • the plurality of stator cores are preferably designed in the same way. In further embodiments, it is also advantageous if the stator cores are designed differently, at least with regard to the holding contours. It is also advantageous if the guide segments of the at least one stator core extend on the radial outside with two axially spaced first support areas and / or are positively connected on the radial inside with two axially spaced apart second support areas. This makes the stator construction even more robust.
  • the at least one support area is preferably ring-shaped / formed as a retaining ring.
  • the guide segments of the at least one stator core in the circumferential direction (the axis of rotation), the radial direction (the axis of rotation), the axial direction (the axis of rotation) and / or against tilting about an axis parallel to the axis of rotation relative to a positive fit to which at least one support area are secured.
  • an axially protruding retaining tab is seen on the at least one support area, which in one, the retaining contour with forming and in the axial direction to the at least a support area protrudes open undercut.
  • the Haltela cal is therefore preferably inserted into the retaining contour in such a way that the Leit segments are supported richly on the Abstützbe both in the radial and in the axial direction, as well as against tilting about an axis which is parallel to the axis of rotation of the rotors.
  • the force acting on the stator cores tangentially to the axis of rotation causes, together with the support, a torque on the individual stator core.
  • the at least one support area has two axially protruding support tabs spaced from one another in the circumferential direction, between which support tabs the guide segments of the respective stator core are jointly received.
  • the magnetic resistance is further reduced if the at least one stator core is provided on one circumferential side or on both circumferential sides of the entirety of Leit segments with a cover portion made of a soft magnetic composite material.
  • the at least one stator core tapers inward in the radial direction (reduction of the width / extension in the circumferential direction).
  • the at least one stator core has several groups of guide segments, which groups differ from one another by the design of their guide segments.
  • the at least one stator core has, in addition to a first group with several first guide segments that are identical to one another, a second group with several second guide segments, the second guide segments having a shorter radial extension have than the first guide segments and are arranged stacked to a first peripheral side of the first group of first guide segments. This further reduces the magnetic resistance.
  • a third group with several third guide segments is arranged, the third guide segments having a shorter radial extension than the first guide segments.
  • the stator core is divided into two halves in the axial direction, the assembly of the stator cores and the entire stator is further facilitated.
  • the stator core is again in one piece / undivided and, on the other hand, the cover section then present (more preferably the two cover sections which are present in each case) is divided / halved. This has the advantage that the windings can be manufactured independently of the stator core and then combined.
  • each stator core is provided with a stator winding, this stator winding forming several axially adjacent winding loops and the respective winding loop narrowing in the radial direction inward with regard to its circumferential width.
  • a mechanical fixation of the stator cores for an axial flux machine with radially extending electrical sheets (guide segments) is implemented.
  • the metal sheets have a contour radially outside and / or radially inside, which enables the stator cores to be fixed in a form-fitting manner.
  • FIG. 1 is a perspective view of an axial flow machine according to the invention, cut in the longitudinal direction by a first domesticsbei game, the structure of which can be clearly seen
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the axial flow machine according to FIG. 1 in longitudinal section, in a radial outer region of a stator with a stator core forming a stator core to illustrate its positive reception on two retaining rings
  • FIG. 1 is a perspective view of an axial flow machine according to the invention, cut in the longitudinal direction by a first,sbei game, the structure of which can be clearly seen
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the axial flow machine according to FIG. 1 in longitudinal section, in a radial outer region of a stator with a stator core forming a stator core to illustrate its positive reception on two retaining rings
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of an assembly of the stator core with a stator winding surrounding it
  • Fig. 4 is a perspective view of the stator core in full view to its radia len outside
  • FIG. 5 shows an illustration of the stator core from its front side
  • FIG. 6 shows a perspective illustration of a first sheet metal segment inserted in the stator core
  • FIG. 7 is a front view of the first sheet metal segment according to FIG. 6,
  • FIG. 8 shows a perspective illustration of a longitudinally cut part of the assembly of the stator, wherein several stator cores distributed in the circumferential direction with two axially spaced retaining rings can be seen from a radial outside without stator windings.
  • FIG. 9 shows a perspective illustration of the stator core, similar to FIG. 4, with the orientation implemented in FIG. 8,
  • FIG. 10 shows a perspective illustration of a circumferential area of a retaining ring which accommodates the stator cores and with which the retaining and supporting tabs forming the form fit can be seen.
  • FIG. 11 shows an exploded view of the partial assembly shown in FIG. 8,
  • FIG. 12 shows a perspective illustration of an assembly of stator core and stator winding formed according to a second embodiment, the stator core having different groups of sheet metal segments
  • 13 shows a perspective illustration of an assembly of stator core and stator winding formed according to a third exemplary embodiment, with two cover sections made of SMC material being dispensed with compared to the second exemplary embodiment according to FIG.
  • FIG. 14 is a perspective view of a coil arrangement of the stator, where several stator cores wound with coil windings are arranged in a row in the circumferential direction,
  • 15 is a perspective detailed view of the coil arrangement in the radial outer area of three mutually adjacent stator cores
  • FIG. 16 shows a front view of the entire coil arrangement according to FIG. 14,
  • FIG. 17 is an exploded perspective view of a stator core
  • Stator winding existing subassembly according to a fourth exemplary embodiment from, wherein the stator core is divided into two axial halves,
  • FIG. 18 shows a perspective, partially exploded illustration of a stator having a plurality of subassemblies according to FIG. 17, each half of a stator core being fixed to one of two outer flange rings, and FIG
  • FIG. 19 is a perspective, partially exploded view of a subassembly consisting of a stator core and stator winding according to a fifth embodiment, with the cover sections being divided into two axial halves compared to the fourth embodiment.
  • a structure of the axial flow machine 1 according to the invention is illustrated according to a preferred first embodiment.
  • the axial flow machine 1 is in used in their preferred area of application in a motor vehicle drive.
  • the corresponding motor vehicle is therefore implemented either as a purely electrically driven motor vehicle or a hybrid motor vehicle.
  • the directional information used below relate to a central axis of rotation 3 of both rotor elements 4a, 4b of the axial flow machine 1.
  • An axial direction is accordingly a direction along / parallel to the axis of rotation 3, a radial direction
  • a direction perpendicular to the axis of rotation 3 and a circumferential direction is a direction along a circular line of constant diameter running coaxially around the axis of rotation 3.
  • an axial flux machine 1 According to the structure of an axial flux machine 1, it has an essentially ring-shaped stator 2 which completely revolves in the circumferential direction (FIG. 1). It goes without saying that individual stator teeth 6 could also be left out of the composite of the stator 2. It can be seen that the stator 2 has a thickness (axial extent) which is less than its radial extent (radial fleas / thickness).
  • the two rotor elements 4a, 4b are part of the axial flux machine 1.
  • a first rotor element 4a is arranged on a first (axial) end face 5a of the stator 2.
  • a second rotor element 4b is arranged on a second (axial) end face 5b of the stator 2 facing axially away from the first end face 5a.
  • the rotor elements 4a, 4b are each implemented essentially identically.
  • Both rotor elements 4a, 4b each have a disk-shaped base body 23 and several circumferentially distributed magnets 24 (permanent magnets), wel che magnets 24 are arranged on an axial side of the rotor elements 4a, 4b facing the stator 2.
  • the rotor elements 4a, 4b can also be constructed differently; For example, arranged in a radial direction between pie-like magnetic flux conducting elements.
  • the rotor elements 4a, 4b are typically mounted so as to be rotatable relative to the stator 2 about the axis of rotation 3.
  • the stator 2 is equipped with a plurality of stator cores 6 distributed in a circumferential direction of the axis of rotation 3.
  • the stator cores 6 are each re alized as identical parts with one another.
  • Each stator core 6 serves to accommodate a stator winding 21, which has several winding loops 22 arranged next to one another in the axial direction (Fig.
  • Stator core 6 and stator winding 21 typically form a stator coil 25 / coil arrangement. As in FIGS. 14 to 16, the stator coils 25 are arranged uniformly and adjacent to one another distributed in the circumferential direction.
  • stator coils 25 taper in the radial direction towards their inside.
  • each stator core 6 has a plurality of first guide segments 7 designed as sheet metal segments, which is why these first guide segments 7 are hereinafter referred to as first sheet metal segments 7.
  • each stator core 6 has a plurality of first sheet metal segments 7 aligned / extending in the radial direction of the axis of rotation 3.
  • Each first sheet metal segment 7 in turn runs along the entire radial length of the stator cores 6 or even directly forms the radial ends of the stator core 6.
  • a first sheet metal segment 7 is shown as an example.
  • first sheet metal segments 7 are stacked one on top of the other in the circumferential direction to form a sheet stack and are electrically isolated from one another in such a way that only minimal eddy currents arise due to the changing magnetic fields, as can be seen in FIG. 4 and in FIG here, for the sake of clarity, insulated from one another via intermediate insulation layers (not shown).
  • the first sheet metal segments 7 are provided with a holding contour 10a, 10b both on their radial outside 8 and on their radial inside 9, which holding contours 10a, 10b are each positively connected to a support area in the form of a retaining ring 11, 12 of the stator 2 .
  • the first sheet metal segments 7 are all implemented as identical parts and each have the designated holding contour 10a, 10b (FIG. 7).
  • Each holding contour 10a, 10b is formed by a radial extension which forms two undercuts 14a, 14b on its axial sides.
  • a first holding contour 10a is formed on a radial outer side 8 of the stator core 6; a second holding contour 10b is formed on a radial inner side 9 of the stator core 6.
  • FIGS. 8, 10 and 11 the form-fitting fixing of the first holding contour 10a on the part of the two first holding rings 11 is illustrated. In this context, however, it should be noted that the positive fixing of the second holding contour 10b on the second holding rings 12 on the radial inside 9 is implemented in the same way.
  • a first retaining ring 11 is exemplarily illustrated for the retaining rings 11, 12.
  • This first retaining ring 11 has an annular strip region 26 running continuously in the circumferential direction.
  • a plurality of retaining tabs 13 and support tabs 15a, 15b protrude from the strip area 26 in the axial direction.
  • a retaining tab 13 is assigned to each stator core 6.
  • Each retaining tab 13 is also assigned two support tabs 15a, 15b.
  • a first support tab 15a is seen in the circumferential direction to a first circumferential side 16a right next to the Garla cal 13; a second support tab 15b is seen in the circumferential direction towards a second circumferential side 16b directly next to the retaining tab 13 angeord net.
  • the retaining rings 11, 12 in this exemplary embodiment are only of an exemplary nature and consequently also differently designed support areas 11, 12 are formed in further embodiments, which, however, always fix the stator cores.
  • the first sheet metal segments 7 are also only partially provided with the holding contour 10a, 10b, which are further attached to the support area 11, 12.
  • Fig. 8 it can be seen that the retaining tab 13 of a first retaining ring 11 is inserted into a first undercut 14a, so that the stator core 6 is fixed in the radial direction. Furthermore, the retaining tab 13 of a first retaining ring 11 rests in the axial direction on the first undercut 14a.
  • the support tabs 15a, 15b which are positioned radially somewhat further outward with respect to the retaining tab 13, lie against the group of first sheet metal segments 7 in the circumferential direction.
  • the first support bracket 15a thereby supports the first sheet metal segments 7 on the first peripheral side 16a, while the second support bracket 15b supports the first sheet metal segments 7 on the second peripheral side 16b.
  • Complementary to this attachment of the stator cores 6 to the one first retaining ring 11 is the attachment of the stator cores 6 (on the part of the second undercuts 14b) to the other first retaining ring 11.
  • the two first retaining rings 11 are designed as identical parts and rotated 180 ° (in Be train on a radial axis) twisted to each other.
  • stator cores 6 are fastened to the two second retaining rings 12.
  • the retaining tabs 13 of the second retaining rings 12 are not arranged radially inside, but radially outside of the support tabs 15a, 15b of this second retaining ring 12.
  • the strip area 26 also does not extend radially outward from the retaining tabs 13 and support tabs 15a, 15b, but rather radially inward.
  • the retaining rings 11, 12 are also designed (by cutouts 28) in such a way that the corresponding stator winding 21 extends radially through in the circumferential direction between the support tabs 15a, 15b of different stator cores 6. This is understandable with FIG. 8, including the stator winding 21.
  • the retaining rings 11, 12 as a whole are also preferably connected to the individual first sheet metal segments 7 in such a way that these first sheet metal segments 7 are subjected to tensile loads.
  • an insulating layer 27 (preferably plastic element or insulating paper) is positioned between the individual first sheet metal segments 7 and the retaining rings 11, 12, so that the retaining rings 11, 12 are stripped from the stator cores 6.
  • the support areas / elements 11, 12 can be made partially or as a whole of electrically non-conductive material, so that electrical insulation takes place between the individual stator cores 6 and the stator cores 6 are insulated from the motor housing, for example.
  • the respective stator core 6 has, in addition to the package / the first group, on first sheet metal segments 7, two cover sections 17a, 17b, each of which adjoins first sheet metal segments 7 on a circumferential side 16a, 16b of the group.
  • each cover section 17a, 17b forms a pole shoe section and is made from a soft magnetic composite material.
  • a first cover section 17a is applied to the first circumferential side 16a of the group on first sheet metal segments 7, while a second cover section 17b is applied to the second circumferential side 16b of the group on first sheet metal segments 7.
  • FIGS. 12 to 13 show two further exemplary embodiments according to which the stator cores 6 can be designed differently.
  • a first group of first Leitseg elements / sheet metal segments 7 is now provided in the respective stator core 6.
  • the second sheet metal segments 18 are arranged on the first circumferential side 16a directly in contact with the first sheet metal segments 7.
  • the third sheet metal segments 19 are to the two th circumferential side 16b out directly in contact with the first sheet metal segments 7 net angeord.
  • Second sheet metal segments 18 and third sheet metal segments 19 are formed identically / as identical parts in this embodiment.
  • the second sheet metal segments 18 and the third sheet metal segments 19 are, however, shorter in radial direction than the first sheet metal segments 7.
  • the second sheet metal segments 18 and the third sheet metal segments 19 are essentially implemented as first sheet metal segments 7 halved at a certain radial height. It is also possible to use more than two differently stepped sheet metal segments 7, 18, 19 in order to For example, to simulate the wedge shape of the stator cores 6 more precisely. Every second Blechseg elements 18 and every third sheet metal segment 19 thus now has the first retaining contour 10a towards its radial outer side 8; on its radial inside, the sheet metal segment 18, 19 is separated and designed without undercuts.
  • the respective second and third sheet metal segment 18, 19 is covered by the cover portions 17a, 17b to the ra-media inner side 9 out.
  • the sheet metal segments 7, 18, 19 of the different exemplary embodiments are each made from an electrical sheet.
  • the third embodiment according to FIG. 13 shows that, in principle, the cover sections 17a, 17b can also be dispensed with and the stator winding 21 correspondingly wound directly around the respective first, second and third sheet metal segments 7, 18, 19 without cover sections 17a, 17b can be.
  • FIGS. 17 to 19 are illustrated in connection with further embodiment examples of alternative assembly steps of the stator 2 according to the invention.
  • the respective stator core 6 is divided into two halves 20a, 20b in the axial direction.
  • Each half 20a, 20b is assigned radially on the outside to a first retaining ring 11 and radially on the inside to a second retaining ring 12 towards the common axial side and is initially connected to these retaining rings 11, 12.
  • the second half 20b is assigned to the other first retaining ring 11 and the other second retaining ring 12 and is thus initially connected to these.
  • the windings 21 are positioned axially between these subassemblies and the subassemblies are pushed onto one another in the axial direction, with the halves 20a, 20b being pushed into the respective stator winding 21.
  • FIG. 19 shows a stator core 6 in which the laminated core is continuous and only the cover cuts 17a, 17b are divided.
  • This offers the advantage that the laminated core is continuous for good magnetic conduction.
  • coil 21 and stator core 6 can be prefabricated independently of one another and only then are the individual parts joined together.
  • the optional pole shoes 29 on the cover cuts 17a, 17b are not disruptive to assembly in such a production sequence.
  • the metal sheets 8, 18, 19 run radially and are optionally covered laterally in the circumferential direction with SMC (from cover sections 17a, 17b). Furthermore, the metal sheets 8, 18, 19 preferably have a contour 10a, 10b radially on the outside and / or radially on the inside, which enables the individual stator core 6 to be fixed in a form-fitting manner.
  • FIG. 4 shows a single stator core 6 without a winding.
  • the stator core 6 consists of a central area, which consists of iron sheets 7, which are stacked in order the direction of travel, the individual sheet metal layers 7 are electrically isolated from each other.
  • the individual sheets 7 each run approximately in radial and axial direction (form a corresponding surface which is approximately perpendicular to the circumferential direction).
  • SMC soft magnetic composite
  • These material sections 17a, 17b are shown as wedge-shaped components which rest on both sides 16a, 16b in the circumferential direction on the sheet metal stack 7 and form, for example, pole shoes 29 (Fig. 4).
  • the metal sheets from the central region 7 have contours 10a, 10b in the radial direction at the outer and / or inner end, which are used for a form-fitting fixing / holding of the cores 6.
  • FIG. 5 shows the same structure, but instead of a 3D view in a plan view from the axial direction.
  • FIG. 6 shows a single sheet 7 in a 3-D view.
  • Figure 7 shows a single sheet 7 in the top view in the circumferential direction according to use in the egg lowering 6.
  • the contours 10a, 10b are also visible radially inward and radially outward for a form-fitting fastening.
  • Figure 10 shows an exemplary embodiment of a retaining ring 11, 12 with contours 13, 15a, 15b for receiving and fixing the individual stator cores 6 via contours 10a, 10b in the radially extending metal sheets 7 in the individual stator cores 6.
  • the protrude Contours 13, 15a, 15b of the retaining ring 11 are shown here.
  • the retaining ring 11, 12 also has cutouts 28 for the windings 21.
  • FIG. 9 again shows a stator core 6 oriented approximately to the retaining ring 11, so that the contours 11, 15a, 15b of the retaining ring 11 and the contours 10a, 10b of the sheets 7 of the stator core 6 can mesh with one another.
  • FIG. 8 shows a left and a right retaining ring 11, the contours of which are in engagement with the contours of the stator cores 6.
  • the stator cores 6 are arranged between the holding rings 11.
  • FIG. 11 shows the same arrangement from FIG. 8, but in an exploded view.
  • FIGS. 3 and 12 each show an example of a single stator tooth 6, 25 with a single tooth winding 21.
  • the two versions of the stator teeth 25 differ in terms of the stack height in the circumferential direction of the laminated cores and different radial heights.
  • FIG. 13 shows a stator core 6 with winding 21, but without SMC side parts 17a, 17b.
  • FIG. 14 shows several individual stator cores 6 with individual tooth windings 21, which are arranged in a ring to form a stator ring, but are not yet fixed by further mechanical components (for example retaining rings).
  • FIG. 15 shows a detailed view from FIG. 14 shows the contours 10a on the metal sheets 7 for fixing, which are located within the windings 21 in the embodiment shown here.
  • FIG. 16 shows the same embodiment of FIG. 14, but as a plan view in the axial direction.
  • the fixation contours 10a on the metal sheets 7 of the individual stator teeth 6 can be seen. These contours are shown both radially on the outside and radially inwards, although they can also be carried out only on the inside or only on the outside or in another combination as long as mechanical fixation is ensured .
  • FIG. 1 shows a stator 2 for an axial flow machine 1 together with the rotor disks 4a, 4b.
  • the stator 2 consists of several individual stator teeth 6, wel che by means of Flalterings 11, 12 are fixed.
  • a total of four butterfly rings 11, 12 are Darge (two inside and two outside).
  • the inside and outside of the Flalterings 11, 12 are designed in such a way that the individual metal sheets 7 of the individual stator teeth 6 are subjected to tensile stress.
  • FIG. 2 shows a section through the stator 2 with rotor 4a, 4b, with which an insulation 27 between the retaining rings 11 and the metal sheets 7 of the stator core 6 is shown as an example.
  • FIGS. 17 to 19 show alternative designs for different assembly sequences:
  • divided stator teeth 6 are joined after the coil has been wound (for example on a winding carrier, not shown).
  • Fig. 18 GE divided stator teeth 6 are preassembled to form stator halves with retaining rings 11, 12. Furthermore, who positioned the windings 21 in a circular ring and / or mounted or mechanically fixed. The stator halves and the arranged windings 21 are then joined together.
  • the SMC side parts 17a, 17b are added later joined. This has the advantage that the following properties can be combined:
  • undivided SMC side parts 17a, 17b can also be used by using the following joining sequence: joining the SMC side parts 17a, 17b into the winding 21 before the laminated core is joined; - Application of the SMC side parts 17a, 17b in the circumferential direction on the windings 21; - Joining the laminated core between the SMC side parts 17a, 17b.
  • windings are only shown as examples. For example, no connections and also no winding supports or insulation were shown, which of course could also be required for the manufacturing processes and / or the function of the motor 1.

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  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine (1) mit einem ringförmigen Stator (2) und zwei relativ zu dem Stator (2) um eine Drehachse (3) verdrehbar gelagerten Rotorelementen (4a, 4b), wobei ein erstes Rotorelement (4a) axial neben einer ersten Stirnseite (5a) des Stators (2) angeordnet ist und ein zweites Rotorelement (4b) axial neben einer zweiten Stirnseite (5b) des Stators (2) angeordnet ist, und wobei der Stator (2) mehrere, in einer Umfangsrichtung einer um die Drehachse (3) herum verlaufenden Kreislinie verteilt angeordnete Statorkerne (6) aufweist, wobei zumindest ein Statorkern (6) mehrere in der Umfangsrichtung übereinander gestapelte, radial verlaufende sowie plattenförmig ausgestaltete Leitsegmente (7) aufweist, wobei mindestens eine Teilmenge der Leitsegmente (7) an seiner radialen Außenseite (8) und/oder seiner radialen Innenseite (9) über eine formschlüssig an zumindest einem gehäusefesten Abstützbereich (11, 12) aufgenommene Haltekontur (10a, 10b) verfügt.

Description

Axialflussmaschine mit mechanisch fixierten Statorkernen mit radial verlaufenden Blechseqmenten
Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine, vorzugsweise für einen Antriebsstrang eines rein elektrisch oder hybridisch angetriebenen Kraftfahrzeuges, mit einem ringför migen Stator und zwei relativ zu dem Stator um eine (gemeinsame) Drehachse ver drehbar gelagerten Rotorelementen, wobei ein erstes Rotorelement axial (entlang der Drehachse) neben einer ersten (axialen) Stirnseite des Stators angeordnet ist und ein zweites Rotorelement axial neben einer zweiten (axialen) Stirnseite des Stators ange ordnet ist, und wobei der Stator mehrere, in einer Umfangsrichtung einer um die Dreh achse herum verlaufenden Kreislinie verteilt angeordnete Statorkerne aufweist.
Gattungsgemäße Axialflussmaschinen sind bereits aus dem Stand der Technik hin länglich bekannt. Beispielsweise offenbart die WO 2018/015293 A1 einen Stator für eine Axialflussmaschine mit einem aus mehreren Blechen gebildeten Statorbereich, der mit Zähnen versehen ist.
Weiterer Stand der Technik ist bspw. aus der WO 2014/166811 A2 bekannt, mit dem eine Axialflussmaschine in Leichtbauweise offenbart ist, bei der mehrere Statorzähne in Endbereichen über eine jeweilige Ringstruktur miteinander und mit einem dem Sta tor radial außen umgebenden Gehäuse verbunden sind. Folglich ist es bereits be kannt Statorkerne mittels Blechen zu fixieren, welche in axialer Richtung seitlich zu den Statorkernen angeordnet sind.
Als Nachteil dieser aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen hat es sich jedoch gezeigt, dass die mechanische Fixierung der Statorkerne häufig unzureichend ist. Des Weiteren ist der bestehende magnetische Widerstand in den benötigten Rich tungen häufig noch relativ groß. Auch bilden sich im magnetischen Kern unter Um ständen Wirbelströme, die aufgrund der Wechselströme in den Wicklungen sowie durch die Magnetfelder vom Rotor hervorgerufen werden. Zugleich besteht die Anfor derung an diese Systeme, die Statorwicklungen und Statorkerne effizient zu kühlen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik be kannten Nachteile zu beheben und insbesondere eine Axialflussmaschine mit einem möglichst stabilen Stator zur Verfügung zu stellen, wobei zugleich der magnetische Widerstand in den benötigten Richtungen reduziert wird und unerwünschte Wirbel ströme vermieden werden. Zugleich soll eine effiziente Kühlung der Bestandteile des Stators umgesetzt werden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Statorkern mehrere in der Umfangsrichtung übereinander gestapelte (/ geschichtete), radial verlaufende so wie plattenförmig (/ flach ausgeführte) ausgestaltete (magnetisch leitende) Leitseg mente aufweist, wobei mindestens eine Teilmenge der Leitsegmente an seiner radia len Außenseite und/oder seiner radialen Innenseite über eine formschlüssig an zumin dest einem gehäusefesten (/einbauortsfesten) Abstützbereich aufgenommene Halte kontur verfügt.
Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile. Zum einen stellen die radial verlaufenden Leitsegmente (vorzugsweise als Blechsegmente ausgebildet) eine hohe mechanische Festigkeit gegen Kräfte in Umfangsrichtung sicher. Durch diesen Verlauf der Leitseg mente wird gleichzeitig ein guter Wärmetransport innerhalb der Leitsegmente nach außen (vorzugsweise zur Fixierung hin) ermöglicht. Zudem wird durch die radiale An ordnung der Leitsegmente eine hohe Polteilung (was insbesondere für hohe Drehmo mente vorteilhaft ist) erzielt. Die Haltekonturen an den Leitsegmenten vereinfachen eine Fixierung des Statorkerns.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Sind die Leitsegmente des zumindest einen Statorkerns als Gleichteile ausgebildet, sind diese in Serie besonders wirtschaftlich herstellbar.
Vorzugsweise sind die mehreren Statorkerne gleich ausgebildet. In weiteren Ausfüh rungen ist es auch von Vorteil, wenn die Statorkerne zumindest hinsichtlich der Halte konturen unterschiedlich ausgebildet sind. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Leitsegmente des zumindest einen Statorkerns an der radialen Außenseite mit zwei axial zueinander beabstandeten, ersten Abstützbe reichen und/oder an der radialen Innenseite mit zwei axial zueinander beabstandeten, zweiten Abstützbereichen formschlüssig verbunden sind. Dadurch wird der Statorauf bau noch robuster ausgebildet.
Der zumindest eine Abstützbereich ist vorzugsweise ringförmig / als Haltering aus gebildet.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Leitsegmente des zumindest einen Stator kerns in der Umfangsrichtung (der Drehachse), radialer Richtung (der Drehachse), axialer Richtung (der Drehachse) und/oder gegen ein Verkippen um eine Achse parallel zur Drehachse über einen Formschluss relativ zu dem zumindest einen Ab stützbereich gesichert sind.
Zur Umsetzung der formschlüssigen Verbindung zwischen den Leitsegmenten und dem zumindest einen Abstützbereich hat es sich auch als zweckmäßig herausgestellt, wenn an dem zumindest einen Abstützbereich eine axial abstehende Haltelasche vor gesehen ist, die in einen, die Haltekontur mit ausbildenden und in axialer Richtung zu dem zumindest einen Abstützbereich geöffneten Hinterschnitt hineinragt. Die Haltela sche ist demnach vorzugsweise derart in die Haltekontur eingeschoben, dass die Leit segmente sowohl in radialer als auch in axialer Richtung, als auch gegen Verkippen um eine Achse, welche parallel zur Drehachse der Rotoren liegt, an dem Abstützbe reich abgestützt sind. Die auf die Statorkerne wirkende zur Drehachse tangential lie gende Kraft bewirkt zusammen mit der Abstützung ein Drehmoment auf den einzelnen Statorkern.
Für eine robuste umfangsseitige Abstützung der Leitsegmente hat es sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn der zumindest eine Abstützbereich zwei in der Um fangsrichtung zueinander beabstandete, axial vorspringende Stützlaschen aufweist, zwischen welchen Stützlaschen die Leitsegmente des jeweiligen Statorkerns gemein sam aufgenommen sind. Der magnetische Widerstand wird weiter reduziert, wenn der zumindest eine Stator kern zu einer Umfangsseite oder zu beiden Umfangsseiten der Gesamtheit an Leit segmenten hin mit einem aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff bestehen den Abdeckabschnitt versehen ist.
Weiter bevorzugt ist eine elektrische Isolierung zwischen den einzelnen Statorkernen untereinander und/oder zwischen den einzelnen Statorkernen und dem zumindest ei nen Abstützbereich vorhanden. Bei letzterem ist es zudem vorteilhaft, wenn entweder zwischen den Leitsegmenten / einem durch die Leitsegmente gebildeten Paket und einer Fixierung die Isolierung eingesetzt ist oder Fixierungselemente unmittelbar aus elektrisch nichtleitendem Material ausgebildet sind.
In diesem Zusammenhang ist es weiterhin zweckmäßig, wenn sich der zumindest eine Statorkern in radialer Richtung nach innen verjüngt (Reduzierung der Weite / Er streckung in Umfangsrichtung).
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Statorkern mehrere Gruppen an Leitsegmenten aufweist, welche Gruppen sich durch die Ausbildung ihrer Leitseg mente voneinander unterscheiden.
In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, wenn der zumindest eine Statorkern neben einer ersten Gruppe mit mehreren, unter einander gleich ausgebildeten, ersten Leitsegmenten, eine zweite Gruppe mit mehre ren zweiten Leitsegmenten aufweist, wobei die zweiten Leitsegmente eine kürzere ra diale Erstreckung aufweisen als die ersten Leitsegmente und zu einer ersten Um fangsseite der ersten Gruppe an ersten Leitsegmenten hin gestapelt angeordnet sind. Dadurch wird der magnetische Widerstand weiter reduziert.
Diesbezüglich ist es auch zweckmäßig, wenn neben der zweiten Gruppe mit mehre ren zweiten Leitsegmenten auf einer der ersten Umfangsseite abgewandten zweiten Umfangsseite der Gesamtheit an ersten Leitsegmenten eine dritte Gruppe mit mehre ren dritten Leitsegmenten angeordnet ist, wobei die dritten Leitsegmente eine kürzere radiale Erstreckung aufweisen als die ersten Leitsegmente.
Ist der zumindest eine Statorkern in axialer Richtung in zwei Hälften aufgeteilt, wird die Montage der Statorkerne sowie des gesamten Stators weiter erleichtert. In einer weiter bevorzugten Ausführung ist der Statorkern wiederum einteilig / ungeteilt und dagegen der dann vorhandene Abdeckabschnitt (weiter bevorzugt die beiden vorhan denen Abdeckabschnitte jeweils) geteilt / halbiert. Dies hat den Vorteil, dass die Wick lungen unabhängig vom Statorkern gefertigt werden können und anschließend vereint werden.
Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn jeder Statorkern mit einer Statorwicklung ver sehen ist, wobei diese Statorwicklung mehrere axial aneinander angrenzende Wick lungsschleifen ausbildet und die jeweilige Wicklungsschleife sich in der radialen Rich tung nach innen hinsichtlich ihrer umfangsseitigen Weite verengt.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß eine mechanische Fixierung der Statorkerne für eine Axialflussmaschine mit radial verlaufenden Elektroblechen (Leitsegmenten) umgesetzt. Die Bleche weisen radial außerhalb und/oder radial inner halb eine Kontur auf, die eine formschlüssige Fixierung der Statorkerne ermöglicht. Optional ist der Statorkern in Umfangsrichtung mit einem SMC-Material (SMC = „Soft Magnetic Composite“) bedeckt.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand verschiedener Figuren näher erläutert, mit denen auch unterschiedliche Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen, in Längsrich tung geschnittenen Axialflussmaschine nach einem ersten Ausführungsbei spiel, wobei deren Aufbau übersichtlich zu erkennen ist, Fig. 2 eine Detaildarstellung der Axialflussmaschine nach Fig. 1 im Längsschnitt, in einem radialen Außenbereich eines einen Stator mit ausbildenden Statorkerns zur Veranschaulichung dessen formschlüssiger Aufnahme an zwei Halteringen,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Zusammenbaus des Statorkerns mit einer diesen umgebenden Statorwicklung,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Statorkerns in Vollansicht zu seiner radia len Außenseite,
Fig. 5 eine Darstellung des Statorkerns von seiner Vorderseite,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines in dem Statorkern eingesetzten, ers ten Blechsegmentes,
Fig. 7 eine Vorderansicht des ersten Blechsegmentes nach Fig. 6,
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines in Längsrichtung geschnittenen Teil zusammenbaus des Stators, wobei mehrere in Umfangsrichtung verteilt an geordnete Statorkerne mit zwei axial beabstandeten Halteringen von einer radialen Außenseite ohne Statorwicklungen zu erkennen sind,
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung des Statorkerns, ähnlich zu Fig. 4, mit der in Fig. 8 umgesetzten Ausrichtung,
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung eines Umfangsbereichs einer die Stator kerne aufnehmenden Halterings, mit der die den Formschluss bildenden Halte- und Stützlaschen ersichtlich sind,
Fig. 11 eine Explosionsdarstellung des in Fig. 8 dargestellten Teilzusammenbaus,
Fig. 12 eine perspektivische Darstellung eines nach einem zweiten Ausführungs beispiel ausgebildeten Zusammenbaus aus Statorkern und Statorwicklung, wobei der Statorkern unterschiedliche Blechsegment-Gruppen aufweist, Fig. 13 eine perspektivische Darstellung eines nach einem dritten Ausführungsbei spiel ausgebildeten Zusammenbaus aus Statorkern und Statorwicklung, wobei gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 gar auf zwei aus SMC-Material bestehende Abdeckabschnitte verzichtet ist,
Fig. 14 eine perspektivische Darstellung einer Spulenanordnung des Stators, wo bei mehrere, mit Spulenwicklungen umwickelte Statorkerne in Umfangsrich tung aneinandergereiht angeordnet sind,
Fig. 15 eine perspektivische Detailansicht der Spulenanordnung im radialen Au ßenbereich dreier zueinander benachbarter Statorkerne,
Fig. 16 eine Vorderansicht der gesamten Spulenanordnung nach Fig. 14,
Fig. 17 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines aus Statorkern und
Statorwicklung bestehenden Unterzusammenbaus nach einem vierten Aus führungsbeispiel, wobei der Statorkern in zwei axiale Hälften unterteilt ist,
Fig. 18 eine perspektivische, teilweise explodierte Darstellung eines mehrere Un- terzusammenbauten nach Fig. 17 aufweisenden Stators, wobei jede Hälfte eines Statorkerns an einem von zwei äußeren Flalteringen fixiert ist, sowie
Fig. 19 eine perspektivische, teilweise explodierte Darstellung eines Unterzusam menbaus bestehend aus Statorkern und Statorwicklung nach einem fünften Ausführungsbeispiel, wobei gegenüber dem vierten Ausführungsbeispiel le diglich die Abdeckabschnitte in zwei axiale Hälften unterteilt sind.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Ver ständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen ver sehen. Des Weiteren sind die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele prinzipiell frei miteinander kombinierbar.
Mit Fig. 1 ist ein Aufbau der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine 1 nach einem be vorzugten ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Die Axialflussmaschine 1 ist in ihrem bevorzugten Einsatzbereich in einem Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Das ent sprechende Kraftfahrzeug ist demnach entweder als rein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug oder ein hybridisch angetriebenes Kraftfahrzeug umgesetzt.
Die nachfolgend verwendeten Richtungsangaben, wie in Verbindung mit Fig. 14 er sichtlich, beziehen sich auf eine zentrale Drehachse 3 beider Rotorelemente 4a, 4b der Axialflussmaschine 1. Eine axiale Richtung ist demzufolge eine Richtung entlang / parallel zu der Drehachse 3, eine radiale Richtung eine Richtung senkrecht zu der Drehachse 3 und eine Umfangsrichtung eine Richtung entlang einer koaxial um die Drehachse 3 herumverlaufenden Kreislinie konstanten Durchmessers.
Gemäß dem Aufbau einer Axialflussmaschine 1 weist diese einen im Wesentlichen ringförmigen Stator 2 auf, der in der Umfangsrichtung vollständig umläuft (Fig. 1). Es könnten dabei selbstverständlich auch einzelne Statorzähne 6 aus dem Verbund des Stators 2 ausgespart werden. Es ist zu erkennen, dass der Stator 2 eine Dicke (axiale Erstreckung) aufweist, die geringer als seine radiale Erstreckung (radiale Flöhe / Di cke) ist.
Neben dem Stator 2 sind, wie bereits erwähnt, die beiden Rotorelemente 4a, 4b Teil der Axialflussmaschine 1. Zu einer ersten (axialen) Stirnseite 5a des Stators 2 ist ein erstes Rotorelement 4a angeordnet. Zu einer, der ersten Stirnseite 5a axial abge wandten, zweiten (axialen) Stirnseite 5b des Stators 2 ist ein zweites Rotorelement 4b angeordnet. Die Rotorelemente 4a, 4b sind jeweils im Wesentlichen gleich realisiert. Beide Rotorelemente 4a, 4b weisen jeweils einen scheibenförmigen Grundkörper 23 und mehrere in Umfangsrichtung verteilte Magnete 24 (Permanentmagnete) auf, wel che Magnete 24 an einer dem Stator 2 zugewandten axialen Seite der Rotorelemente 4a, 4b angeordnet sind. Die Rotorelemente 4a, 4b können auch anders aufgebaut sein; z.B. radial verlaufend zwischen Tortenstück-ähnlichen Magnet-Fluss-Leitelemen- ten angeordnet. Die Rotorelemente 4a, 4b sind auf typische Weise relativ zum Stator 2 um die Drehachse 3 verdrehbar gelagert. Wie unter Zusammenschau der Fign. 1 bis 5, 8, 9 und 11 hervorgeht, ist der Stator 2 mit mehreren in einer Umfangsrichtung der Drehachse 3 verteilt angeordneten Stator kernen 6 ausgestattet. Die Statorkerne 6 sind jeweils untereinander als Gleichteile re alisiert. Jeder Statorkern 6 dient zur Aufnahme einer Statorwicklung 21 , die mehrere in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Wicklungsschleifen 22 aufweist (Fig.
15). Statorkern 6 und Statorwicklung 21 bilden auf typische Weise eine Statorspule 25 / Spulenanordnung. Wie in den Fign. 14 bis 16 zu erkennen, sind die Statorspulen 25 gleichmäßig und aneinander anschließend in Umfangsrichtung verteilt angeordnet.
Die Statorspulen 25 verjüngen sich in radialer Richtung zu ihrer Innenseite hin. Jede Statorspule 25, d.h. jeder Statorkern 6 und jede Statorwicklung 21 weist somit entlang ihrer radialen Erstreckung gesehen eine sich in Umfangsrichtung reduzierende Erstre ckung auf.
Unter Zusammenschau der Fign. 4 bis 7 ist des Weiteren zu erkennen, dass jeder Statorkern 6 mehrere als Blechsegmente ausgebildete erste Leitsegmente 7 aufweist, weswegen diese ersten Leitsegmente 7 nachfolgend als erste Blechsegmente 7 be zeichnet sind. Erfindungsgemäß weist jeder Statorkern 6 mehrere in radialer Richtung der Drehachse 3 ausgerichtete / verlaufende erste Blechsegmente 7 auf. Jedes erste Blechsegment 7 verläuft wiederum entlang der gesamten radialen Länge der Stator kerne 6 bzw. bildet gar unmittelbar die radialen Enden des Statorkerns 6 mit aus. Mit den Fign. 6 und 7 ist ein erstes Blechsegment 7 exemplarisch dargestellt. Mehrere erste Blechsegmente 7 sind zu einem Blechpaket in Umfangsrichtung übereinander- gestapelt angeordnet und elektrisch so voneinander isoliert, dass nur minimale Wirbel ströme aufgrund der wechselnden Magnetfelder entstehen, wie in Fig. 4 und in Fig. 5 ersichtlich, und jeweils auf typische Weise mittels einer hier der Übersichtlichkeit hal ber nicht weiter dargestellten Zwischenisolationsschicht zueinander isoliert.
Die ersten Blechsegmente 7 sind sowohl zu ihrer radialen Außenseite 8 als auch zu ihrer radialen Innenseite 9 hin mit einer Haltekontur 10a, 10b versehen, welche Halte konturen 10a, 10b jeweils mit einem Abstützbereich in Form eines Halterings 11 , 12 des Stators 2 formschlüssig verbunden sind. Die ersten Blechsegmente 7 sind allesamt als Gleichteile realisiert und weisen jeweils die bezeichnete Haltekontur 10a, 10b (Fig. 7) auf. Jede Haltekontur 10a, 10b ist durch einen radialen Fortsatz gebildet, der zu seinen axialen Seiten hin zwei Hinterschnitte 14a, 14b ausbildet. Eine erste Haltekontur 10a ist zu einer radialen Außenseite 8 des Statorkerns 6 ausgebildet; eine zweite Haltekontur 10b ist zu einer radialen Innenseite 9 des Statorkerns 6 ausgebildet. Die sich axial in entgegengesetzte Richtungen öff nenden Hinterschnitte 14a, 14b sind jeweils an einem Haltering 11 , 12 fixiert. In den Fign. 8, 10 und 11 ist die formschlüssige Fixierung der ersten Haltekontur 10a seitens der beiden ersten Halteringe 11 veranschaulicht. In diesem Zusammenhang sei je doch darauf hingewiesen, dass die formschlüssige Fixierung der der zweiten Halte kontur 10b an den zweiten Halteringen 12 an der radialen Innenseite 9 auf gleiche Weise umgesetzt ist.
Mit Fig. 10 ist exemplarisch für die Halteringe 11 , 12 ein erster Haltering 11 veran schaulicht. Dieser erste Haltering 11 weist einen in Umfangsrichtung durchgängig ver laufenden ringförmigen Leistenbereich 26 auf. Von dem Leistenbereich 26 stehen mehrere Haltelaschen 13 und Stützlaschen 15a, 15b in axialer Richtung ab. Jedem Statorkern 6 ist eine Haltelasche 13 zugeordnet. Jeder Haltelasche 13 sind weiterhin zwei Stützlaschen 15a, 15b zugeordnet. Eine erste Stützlasche 15a ist in Umfangs richtung gesehen zu einer ersten Umfangsseite 16a hin unmittelbar neben der Haltela sche 13 angeordnet; eine zweite Stützlasche 15b ist in Umfangsrichtung gesehen zu einer zweiten Umfangsseite 16b hin unmittelbar neben der Haltelasche 13 angeord net.
In diesem Zusammenhang sei der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die Halteringe 11 , 12 in diesem Ausführungsbeispiel nur exemplarischer Natur sind und demzufolge in weiteren Ausführungen auch anders ausgebildete Abstützbereiche 11 , 12 ausgebildet sind, die jedoch stets die Fixierung der Statorkerne bewirken. Auch sind in weiteren Ausführungen die ersten Blechsegmente 7 auch nur teilweise mit der Haltekontur 10a, 10b versehen, die weiter an dem Abstützbereich 11 , 12 angebracht sind. In Fig. 8 ist zu erkennen, dass die Haltelasche 13 des einen ersten Halterings 11 in ei nen ersten Hinterschnitt 14a eingeschoben ist, sodass der Statorkern 6 in radialer Richtung festgelegt ist. Des Weiteren liegt die Haltelasche 13 des einen ersten Hal terings 11 in axialer Richtung an dem ersten Hinterschnitt 14a an. Die radial etwas weiter außen gegenüber der Haltelasche 13 positionierten Stützlaschen 15a, 15b lie gen in Umfangsrichtung an der Gruppe an ersten Blechsegmenten 7 an. Die erste Stützlasche 15a stützt die ersten Blechsegmenten 7 dadurch zu der ersten Umfangs seite 16a hin ab, während die zweite Stützlasche 15b die ersten Blechsegmenten 7 zu der zweiten Umfangsseite 16b hin abstützt. Komplementär zu dieser Befestigung der Statorkerne 6 an dem einen ersten Haltering 11 erfolgt die Befestigung der Stator kerne 6 (seitens der zweiten Hinterschnitte 14b) an dem anderen ersten Haltering 11. Die beiden ersten Halteringe 11 sind als Gleichteile ausgebildet und um 180° (in Be zug auf eine radial verlaufende Achse) zueinander verdreht.
Entsprechend der Befestigung der Statorkerne 6 an den beiden ersten Halteringen 11 sind die Statorkerne 6 an den beiden zweiten Halteringen 12 befestigt. In diesem Zu sammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Haltelaschen 13 der zweiten Halte ringe 12 nicht radial innerhalb, sondern radial außerhalb der Stützlaschen 15a, 15b dieses zweiten Halterings 12 angeordnet sind. Auch erstreckt sich der Leistenbereich 26 von den Haltelaschen 13 und Stützlaschen 15a, 15b aus nicht radial nach außen, sondern radial nach innen weg.
Die Halteringe 11, 12 sind zudem derart ausgebildet (durch Freischnitte 28), dass in Umfangsrichtung zwischen den Stützlaschen 15a, 15b unterschiedlicher Statorkerne 6 die entsprechende Statorwicklung 21 radial hindurcherstreckt. Dies wird mit Fig. 8 un ter Hinzudenken der Statorwicklung 21 verständlich. Auch sind die Halteringe 11, 12 gesamtheitlich vorzugsweise derart mit den einzelnen ersten Blechsegmenten 7 derart verbunden, dass diese ersten Blechsegmente 7 auf Zug belastet sind.
Zurückkommend auf Fig. 2 ist des Weiteren zu erkennen, dass zwischen den einzel nen ersten Blechsegmenten 7 und den Halteringen 11, 12 eine Isolationsschicht 27 (vorzugsweise Kunststoffelement oder Isolierpapier) positioniert ist, sodass die Halte- ringe 11 , 12 von den Statorkernen 6 abisoliert sind. Alternativ können auch die Ab stützbereiche /-elemente 11 , 12 teilweise oder als Ganzes aus elektrisch nichtleiten dem Material bestehen, so dass eine elektrische Isolierung zwischen den einzelnen Statorkernen 6 erfolgt als auch die Statorkerne 6 gegen z.B. das Motorgehäuse iso liert sind.
Der jeweilige Statorkern 6 weist in dem ersten Ausführungsbeispiel neben dem Paket / der ersten Gruppe an ersten Blechsegmenten 7 zwei Abdeckabschnitte 17a, 17b auf, die sich je zu einer Umfangsseite 16a, 16b der Gruppe an ersten Blechsegmenten 7 anschließen. Jeder Abdeckabschnitt 17a, 17b bildet in dieser Ausführung einen Pol schuhabschnitt und ist aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff hergestellt. Ein erster Abdeckabschnitt 17a ist zu der ersten Umfangsseite 16a der Gruppe an ersten Blechsegmenten 7 aufgebracht, während ein zweiter Abdeckabschnitt 17b zu der zweiten Umfangsseite 16b der Gruppe an ersten Blechsegmenten 7 aufgebracht ist.
Mit den Fign. 12 bis 13 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele gezeigt, nach denen die Statorkerne 6 unterschiedlich ausgebildet sein können. Nach dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 12 ist nun nicht mehr nur eine erste Gruppe an ersten Leitseg menten / Blechsegmenten 7 in dem jeweiligen Statorkern 6 vorgesehen. Es sind zu sätzlich eine zweite Gruppe an zweiten Leitsegmenten / Blechsegmenten 18 und eine dritte Gruppe an dritten Leitsegmenten / Blechsegmenten 19 vorhanden. Die zweiten Blechsegmente 18 sind zu der ersten Umfangsseite 16a hin direkt in Anlage an den ersten Blechsegmenten 7 angeordnet. Die dritten Blechsegmente 19 sind zu der zwei ten Umfangsseite 16b hin direkt in Anlage an den ersten Blechsegmenten 7 angeord net. Zweite Blechsegmente 18 und dritte Blechsegmente 19 sind in dieser Ausführung gleich / als Gleichteile ausgebildet.
Die zweiten Blechsegmente 18 sowie die dritten Blechsegmente 19 sind jedoch in ra dialer Richtung kürzer als die ersten Blechsegmente 7. Die zweiten Blechsegmente 18 sowie die dritten Blechsegmente 19 sind im Wesentlichen als auf einer bestimmten ra dialen Höhe halbierte erste Blechsegmente 7 umgesetzt. Es können auch mehr als zwei unterschiedlich abgestufte Blechsegmente 7, 18, 19 zum Einsatz kommen, um z.B. die Keilform der Statorkerne 6 genauer nachzubilden. Jedes zweite Blechseg mente 18 und jedes dritte Blechsegment 19 weist somit nunmehr die erste Haltekontur 10a zu seiner radialen Außenseite 8 hin auf; an seiner radialen Innenseite ist das Blechsegment 18, 19 abgetrennt und hinterschnittfrei ausgebildet. Das jeweilige zweite und dritte Blechsegment 18, 19 ist durch die Abdeckabschnitte 17a, 17b zur ra dialen Innenseite 9 hin abgedeckt.
Die Blechsegmente 7, 18, 19 der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele sind jeweils aus einem Elektroblech gefertigt.
Mit dem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 ist verdeutlicht, dass prinzipiell auch auf die Abdeckabschnitte 17a, 17b verzichtet werden kann und die Statorwicklung 21 entsprechend ohne Abdeckabschnitte 17a, 17b direkt um die jeweiligen ersten, zwei ten und dritten Blechsegmente 7, 18, 19 herumgewickelt werden kann.
In Verbindung mit den Fign. 17 bis 19 sind in Verbindung mit weiteren Ausführungs beispielen alternative Montageschritte des erfindungsgemäßen Stators 2 veranschau licht. Wie in Fig. 18 gezeigt, ist gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der jewei lige Statorkern 6 in axialer Richtung in zwei Hälften 20a, 20b unterteilt. Jede Hälfte 20a, 20b ist radial außen einem ersten Haltering 11 und radial innen einem zweiten Haltering 12 zur gemeinsamen axialen Seite hin zugeordnet und wird zunächst mit diesen Halteringen 11 , 12 verbunden. Die zweite Hälfte 20b ist dem anderen ersten Haltering 11 und dem anderen zweiten Haltering 12 zugeordnet und wird somit mit diesen zunächst verbunden. Im Anschluss daran werden die Wicklungen 21 axial zwi schen diesen Teilzusammenbauten positioniert und die Teilzusammenbauten aufei nander in axialer Richtung zugeschoben, unter einem Einschieben der Hälften 20a, 20b in die jeweilige Statorwicklung 21 .
In diesem Zusammenhang wird in Fig. 19 aufgezeigt, dass prinzipiell auch nur die Ab deckabschnitte 17a, 17b halbiert werden können und entsprechend in axialer Rich tung von unterschiedlichen Seiten in die Statorwicklung 21 eingeschoben werden kön nen. Die Blechsegmente 7, 18, 19 sind dann vorzugsweise jeweils einteilig umgesetzt. Fig. 19 stellt somit einen Statorkern 6 dar, bei dem das Blechpaket durchgängig ist und nur die Abdeckschnitte 17a, 17b geteilt sind. Dies bietet den Vorteil, dass das Blechpaket für gute magnetische Leitung durchgängig ist. Für die Montage bietet es den Vorteil, dass Spule 21 und Statorkern 6 unabhängig voneinander vorgefertigt wer den können und erst anschließend die Einzelteile zusammengefügt werden. Die optio nalen Polschuhe 29 an den Abdeckschnitten 17a, 17b sind bei so einer Fertigungsrei henfolge nicht störend für die Montage.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Ble che 8, 18, 19 radial verlaufen und optional in Umfangsrichtung seitlich mit SMC (Ab deckabschnitte 17a, 17b) abgedeckt sind. Weiterhin weisen vorzugsweise die Bleche 8, 18, 19 radial außen und/oder radial innen eine Kontur 10a, 10b auf, die eine form schlüssige Fixierung des einzelnen Statorkerne 6 ermöglicht.
Figur 4 zeigt einen einzelnen Statorkern 6 ohne Wicklung. Der Statorkern 6 besteht aus einem mittleren Bereich, welcher aus Eisenblechen 7 besteht, welche in Um gangsrichtung gestapelt sind, wobei die einzelnen Blechschichten 7 elektrisch vonei nander isoliert sind. Die einzelnen Bleche 7 verlaufen jeweils näherungsweise in radi aler und axialer Richtung (bilden eine entsprechende Fläche welche näherungsweise senkrecht zur Umfangsrichtung ist).
In Umfangsrichtung können die gestapelten Bleche 7 durch ein magnetisch gut leitfä higes, aber elektrisch schlecht leitendes Material (z.B. SMC = Soft-Magnetic-Compo- site) umschlossen sein. Dargestellt sind diese Materialabschnitte 17a, 17b als keilför mige Bauteile, welche auf beiden Seiten 16a, 16b in Umfangsrichtung an dem Blech stapel 7 anliegen und z.B. Polschuhe 29 (Fig. 4) ausbilden.
Weiterhin weisen die Bleche aus dem mittleren Bereich 7 am äußeren und/oder am inneren Ende in radialer Richtung Konturen 10a, 10b auf, welche für eine formschlüs sige Fixierung / Halterung der Kerne 6 verwendet werden.
Fig. 5 zeigt den gleichen Aufbau, jedoch statt in einer 3D-Ansicht in der Draufsicht aus axialer Richtung. Figur 6 zeigt ein einzelnes Blech 7 in einer 3-D-Ansicht. Figur 7 zeigt ein einzelnes Blech 7 in der Draufsicht in Umfangsrichtung gemäß Verwendung im Ei senkern 6. Ersichtlich sind auch die Konturen 10a, 10b radial innen als auch radial au ßen für eine formschlüssige Befestigung.
Figur 10 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Halteringes 11 , 12 mit Konturen 13, 15a, 15b zur Aufnahme und Fixierung der einzelnen Statorkerne 6 über Konturen 10a, 10b in den radial verlaufenden Blechen 7 in den einzelnen Statorkerne 6. In der hier dargestellten Ausführungsform ragen die Konturen 13, 15a, 15b des Halteringes 11 ,
12 in den Hohlraum innerhalb der Wicklung 21 hinein. Um den Wicklungsverlauf nicht zu behindern, weißt der Haltering 11 , 12 weiterhin Freischnitte 28 für die Wicklungen 21 auf.
Figur 9 zeigt erneut einen Statorkern 6 annähernd zum Haltering 11 orientiert, so dass ein Ineinandergreifen der Konturen 11 , 15a, 15b vom Haltering 11 und der Konturen 10a, 10b der Bleche 7 vom Statorkern 6 möglich ist.
Figur 8 zeigt einen linken und einen rechten Haltering 11 , deren Konturen im Eingriff mit den Konturen der Statorkerne 6 sind. Die Statorkerne 6 sind zwischen den Halte ringen 11 angeordnet. Optional, jedoch nicht speziell dargestellt, befindet sich zwi schen den Konturen am Haltering 11 und den Konturen am Statorkern 6 eine elektri sche Isolierung, z.B. in der Form eines Kunststoffelementes oder eines Isolierpapiers. Figur 11 zeigt die gleiche Anordnung aus Figur 8, jedoch in der Explosionsansicht.
Figuren 3 und 12 zeigen beispielhaft jeweils einen einzelnen Statorzahn 6, 25 mit ei ner Einzelzahnwicklung 21. Die beiden Ausführungen der Statorzähne 25 unterschei den sich über die Stapelhöhe in Umfangsrichtung der Blechpakete und unterschiedli chen radialen Höhen. Figur 13 zeigt einen Statorkern 6 mit Wicklung 21 , jedoch ohne SMC-Seitenteile 17a, 17b.
Figur 14 zeigt mehrere einzelne Statorkerne 6 mit Einzelzahnwicklungen 21 , welche ringförmig zu einem Statorring angeordnet sind, jedoch noch nicht über weitere me chanische Bauteile (z.B. Halteringe) fixiert sind. Figur 15 zeigt eine Detailansicht aus Figur 14. Ersichtlich sind die Konturen 10a an den Blechen 7 für eine Fixierung, wel che sich bei der hier dargestellten Ausführung innerhalb der Wicklungen 21 befinden.
Figur 16 zeigt die gleiche Ausführung von Figur 14, jedoch als Draufsicht in axialer Richtung. Ersichtlich sind die Fixierungskonturen 10a an den Blechen 7 der einzelnen Statorzähne 6. Dargestellt sind diese Konturen sowohl radial außen als auch radial in nen, wobei diese auch nur innen oder nur außen oder in einer anderen Kombination ausgeführt werden können, solange eine mechanische Fixierung sichergestellt ist.
Figur 1 zeigt einen Stator 2 für eine Axialflussmaschine 1 zusammen mit den Rotor scheiben 4a, 4b. Der Stator 2 besteht aus mehreren einzelnen Statorzähnen 6, wel che mittels Flalteringe 11, 12 fixiert sind. Insgesamt sind vier Flalteringe 11, 12 darge stellt (zwei innen und zwei außen). Vorzugsweise sind die Flalteringe 11, 12 innen und außen so ausgelegt, dass die einzelnen Bleche 7 der einzelnen Statorzähne 6 auf Zug belastet werden.
Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass die Fixierung mittels Flalteringen 11, 12 und ineinan- dergreifenden Konturen so angeordnet werden kann, dass diese kaum die axiale Länge der E-Maschine 1 vergrößern. Dies wird hier erreicht, indem die ineinandergrei- fenden Konturen sich innerhalb der Wicklungen 21 befinden und die radialen Wände 26 der Halteringe 11, 12 axial im Raum der Polschuhe 29 angeordnet sind.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch den Stator 2 mit Rotor 4a, 4b, mit dem beispielhaft eine Isolierung 27 zwischen den Halteringen 11 und den Blechen 7 des Statorkerns 6 dargestellt ist.
Figuren 17 bis 19 zeigen alternative Ausführungen für unterschiedliche Montagerei henfolgen: Bei Fig. 17 werden geteilte Statorzähne 6 nach dem Wickeln der Spule (z.B. auf einem nicht dargestellten Wicklungsträger) gefügt. Bei Fig. 18 werden ge teilte Statorzähne 6 zu Statorhälften mit Halteringen 11 ,12 vormontiert. Weiterhin wer den die Wicklungen 21 in einem Kreisring positioniert und / oder montiert bzw. mecha nisch fixiert. Anschließend werden die Statorhälften und die angeordneten Wicklungen 21 zusammengefügt. Bei Fig. 19 werden die SMC-Seitenteile 17a, 17b nachträglich gefügt. Dies hat den Vorteil, dass folgende Eigenschaften kombiniert werden können:
- Ungeteilte Bleche 7, 18, 19 in der Mitte (gut für den magnetischen Fluss und für die mechanische Stabilität); - vorgefertigte Wicklungen 21, bei denen erst nachträglich der Kern gefügt wird; - SMC-Seitenteile 17a, 17b mit Polschuhkonturen 29.
Alternativ zu Fig. 19 können auch ungeteilte SMC-Seitenteile 17a, 17b verwendet wer den, indem folgende Fügereihenfolge verwendet wird: - Fügen der SMC-Seitenteile 17a, 17b in die Wicklung 21 bevor das Blechpaket gefügt wird; - Anlegen der SMC- Seitenteile 17a, 17b in Umfangsrichtung an die Wicklungen 21; - Fügen des Blechpa- kets zwischen die SMC-Seitenteile 17a, 17b.
In allen obigen Figuren sind die Wicklungen nur exemplarisch dargestellt. Es wurden z.B. keine Anschlüsse und auch keine Wickelträger oder Isolierungen dargestellt, wel che natürlich für die Fertigungsprozesse und/oder die Funktion des Motors 1 zusätz- lieh benötigt werden könnten.
Bezuqszeichenliste Axialflussmaschine Stator Drehachse a erstes Rotorelement b zweites Rotorelement a erste Stirnseite b zweite Stirnseite Statorkern erstes Leitsegment / erstes Blechsegment Außenseite Innenseite 0a erste Haltekontur 0b zweite Haltekontur 1 erster Haltering 2 zweiter Haltering 3 Haltelasche 4a erster Hinterschnitt 4b zweiter Hinterschnitt 5a erste Stützlasche 5b zweite Stützlasche 6a erste Umfangsseite 6b zweite Umfangsseite 7a erster Abdeckabschnitt 7b zweiter Abdeckabschnitt 8 zweites Leitsegment / zweites Blechsegment9 drittes Leitsegment / drittes Blechsegment0a erste Hälfte 0b zweite Hälfte 1 Statorwicklung 2 Wicklungsschleife 3 Grundkörper Magnet Statorspule Leistenbereich Isolationsschicht Freischnitt Polschuh

Claims

Patentansprüche
1. Axialflussmaschine (1) mit einem ringförmigen Stator (2) und zwei relativ zu dem Stator (2) um eine Drehachse (3) verdrehbar gelagerten Rotorelementen (4a, 4b), wobei ein erstes Rotorelement (4a) axial neben einer ersten Stirn seite (5a) des Stators (2) angeordnet ist und ein zweites Rotorelement (4b) axial neben einer zweiten Stirnseite (5b) des Stators (2) angeordnet ist, und wobei der Stator (2) mehrere, in einer Umfangsrichtung einer um die Dreh achse (3) herum verlaufenden Kreislinie verteilt angeordnete Statorkerne (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Statorkern (6) meh rere in der Umfangsrichtung übereinander gestapelte, radial verlaufende so wie plattenförmig ausgestaltete Leitsegmente (7) aufweist, wobei mindestens eine Teilmenge der Leitsegmente (7) an seiner radialen Außenseite (8) und/o der seiner radialen Innenseite (9) über eine formschlüssig an zumindest einem gehäusefesten Abstützbereich (11, 12) aufgenommene Haltekontur (10a, 10b) verfügt.
2. Axialflussmaschine (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leitsegmente (7) des zumindest einen Statorkerns (6) als Gleichteile ausge bildet sind.
3. Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitsegmente (7) des zumindest einen Statorkerns (6) an der radia len Außenseite (8) mit zwei axial zueinander beabstandeten, ersten Abstütz bereichen (11) und/oder an der radialen Innenseite (9) mit zwei axial zueinan der beabstandeten, zweiten Abstützbereichen (12) formschlüssig verbunden sind.
4. Axialflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Abstützbereich (11, 12) eine axial abste hende Haltelasche (13) aufweist, die in einen, die Haltekontur (10a, 10b) mit ausbildenden und in axialer Richtung zu dem zumindest einen Abstützbereich (11, 12) geöffneten Hinterschnitt (14a, 14b) hineinragt.
5. Axialflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitsegmente (7) des zumindest einen Statorkerns (6) in Umfangsrichtung, radialer Richtung, axialer Richtung und/oder gegen ein Ver kippen um eine Achse parallel zur Drehachse (3) über einen Formschluss re lativ zu dem zumindest einen Abstützbereich (11, 12) gesichert sind.
6. Axialflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Statorkern (6) zu einer Umfangsseite (16a, 16b) oder zu beiden Umfangsseiten (16a, 16b) der Gesamtheit an Leitseg menten (7) hin mit einem aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff bestehenden Abdeckabschnitt (17a, 17b) versehen ist.
7. Axialflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Isolierung zwischen den einzelnen Statorker nen (6) untereinander und/oder zwischen den einzelnen Statorkernen (6) und dem zumindest einen Abstützbereich (11, 12) vorhanden ist.
8. Axialflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Statorkern (6) neben einer ersten Gruppe mit mehreren, untereinander gleich ausgebildeten, ersten Leitsegmenten (7), eine zweite Gruppe mit mehreren zweiten Leitsegmenten (18) aufweist, wobei die zweiten Leitsegmente (18) eine kürzere radiale Erstreckung aufweisen als die ersten Leitsegmente (7) und zu einer ersten Umfangsseite (16a) der ersten Gruppe an ersten Leitsegmente (7) hin gestapelt angeordnet sind.
9. Axialflussmaschine (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ne ben der zweiten Gruppe mit mehreren zweiten Leitsegmenten (18) auf einer der ersten Umfangsseite (16a) abgewandten zweiten Umfangsseite (16b) der Gesamtheit an ersten Leitsegmenten (7) eine dritte Gruppe mit mehreren drit ten Leitsegmenten (19) angeordnet ist, wobei die dritten Leitsegmente (19) eine kürzere radiale Erstreckung aufweisen als die ersten Leitsegmente (7).
10. Axialflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Statorkern (6) in axialer Richtung in zwei Hälften (20a, 20b) aufgeteilt ist.
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