EP4320708A1 - Stator einer elektrischen axialflussmaschine und axialflussmaschine - Google Patents

Stator einer elektrischen axialflussmaschine und axialflussmaschine

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EP4320708A1
EP4320708A1 EP22718057.7A EP22718057A EP4320708A1 EP 4320708 A1 EP4320708 A1 EP 4320708A1 EP 22718057 A EP22718057 A EP 22718057A EP 4320708 A1 EP4320708 A1 EP 4320708A1
Authority
EP
European Patent Office
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stator
winding
axial flux
flux machine
windings
Prior art date
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Pending
Application number
EP22718057.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Menhart
Stefan Riess
Johann Oswald
Carsten Sonntag
Andrä Carotta
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a stator of an electrical axial flow machine and the electrical axial flow machine itself.
  • the electric drive train is known from the prior art. This consists of components for energy storage, energy conversion and energy transmission.
  • the energy conversion components include electrical machines, for example axial flow machines.
  • Various designs with one or more stators and one or more rotors are known from the prior art.
  • An electrical axial flux machine also referred to as a transverse flux machine, is a motor or generator in which the magnetic flux between a rotor and a stator is realized parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • Other designations for electric axial flux machines are also brushless DC motors, permanently excited synchronous motors or disc motors.
  • the cooling ensures that critical temperatures, which could lead to damage to materials and components, are avoided.
  • the cooling contributes to improving the efficiency of the electrical machine, since the ohmic resistance in electrical conductors in particular is highly temperature-dependent, which means that the power losses increase at higher temperatures.
  • the cooling of an electrical rotary machine usually takes place largely in the stator.
  • heat is dissipated from the wire coil to the surrounding housing or to the stator body itself and/or the surrounding air.
  • surface cooling with heat dissipation to the surrounding air is often not sufficient, so that cooling with a cooling fluid is required.
  • oils, water or water mixtures such as e.g. B. water-glycol, but also dielectric liquids are used.
  • gaseous media, such as air is not excluded.
  • a low axial installation space requirement is also often a central requirement criterion, regardless of the cooling implemented.
  • the winding of an electrical machine must have a high copper fill factor. This is usually realized by using solid winding wire conductors. This type of winding is also referred to as bar winding. The conductors are referred to as rods. Rods of mostly rectangular cross-section are often chosen.
  • a coil of a winding of an axial flux machine has a positive coil side and a negative coil side arranged circumferentially on the geometrically opposite side of a stator tooth, both coil sides being positioned in slots provided for this purpose, which form gaps between the stator teeth.
  • the combination of several coils with a defined number of turns is referred to as the winding of an electrical machine.
  • a defined voltage is induced on each coil side of a winding in the magnetic field.
  • Concentrated bar windings are known in the prior art. With this form of winding, one or more bars are guided around the stator tooth at least once without interruption, so that there is a voltage induction of the same sign on each side of the coil.
  • the electromagnetic coupling between the winding and iron of other components of the electric machine results in changing forces on the winding during operation of the electric machine, which increase the risk of wear or fatigue behavior.
  • the windings are glued or clamped to the stator teeth and/or completely encapsulated with an epoxy resin.
  • the windings are implemented using a very large number of electrical conductors in the form of thin wires that wrap around a number of stator teeth.
  • An electrical axial flow machine is known from WO 01/11755 A1, which has a stator on each side of a rotor.
  • the stators in turn, each have an annular yoke with slots that extend radially from the inside to the outside, in which slots multi-phase windings are guided.
  • the object of the present invention is to provide a stator of an axial flux machine and a durable axial flux machine equipped with the stator, which combine an axially compact size with high performance.
  • the invention relates to a stator of an axial flux machine with a plurality of axially protruding stator teeth, with at least one stator tooth having a first winding wrapped around it, and this first winding being surrounded at least in regions on its radial outside by at least one further winding.
  • a stator tooth is a projection that protrudes axially from a stator yoke, which has an essentially two-dimensional configuration, and around which an electrical conductor is wound, so that the electrical conductor forms a coil whose longitudinal axis is essentially parallel to an axis of rotation of an axial flow machine equipped with a rotor.
  • the respective winding comprises a plurality of turns, which are guided around the stator tooth with a substantially uniform pitch, and thus form a coil for each stator tooth.
  • the first winding is designed directly adjacent to the stator tooth, whereby according to the invention it should not be ruled out that a further layer or a further element, such as a lacquer or insulating material, is arranged between the first winding and the stator tooth. On its radial outside, the circumference of the first winding is surrounded by the further winding. There can be differences between the two windings with regard to the axial extents of the two windings.
  • the unit realized from the first winding and a respective further winding is also referred to as a winding package.
  • all the stator teeth are provided with a first winding and with a further winding wrapped around the respective first winding.
  • the invention does not rule out the possibility that a plurality of further windings are arranged in relation to a respective stator tooth, with all windings being arranged radially nested within one another.
  • Coils open up the possibility of a significantly increased voltage induction or application of a voltage and thus a higher degree of efficiency.
  • This means that the axial flow machine equipped with the rotor according to the invention can be built relatively short axially, or can be operated with a higher voltage while the axial length remains the same.
  • the windings arranged on a respective stator tooth are electrically connected to one another in series.
  • windings arranged radially immediately adjacent to one another on a respective stator tooth can be electrically connected to one another by means of a respective connecting section.
  • the windings arranged on a respective stator tooth can have the same pitch and/or the same winding direction.
  • the windings arranged on a respective stator tooth have rod-shaped longitudinal elements which run essentially radially in relation to the axis of rotation of an axial flux machine equipped with the rotor.
  • rod-shaped longitudinal elements can also be referred to as rods.
  • the axis of rotation of an axial-closure machine equipped with the rotor runs in the geometric center area or midpoint of the rotor.
  • a respective stator tooth comprises side surfaces aligned essentially perpendicular to the circumferential direction.
  • the rod-shaped longitudinal elements rest essentially on these side surfaces.
  • Rod-shaped longitudinal elements of further windings are aligned essentially parallel to these side surfaces.
  • such a side face can be designed to be essentially flat, so that rod-shaped longitudinal elements running parallel thereto are designed to be essentially linear.
  • the cross section of a rod-shaped longitudinal element can have a width B and a thickness D, where the following applies: B/D>1.5.
  • the ratio can also be: B/D>2.
  • the geometric dimension with the greater length ie the width here, extends radially to the axial dimension Longitudinal axis of the stator tooth extends.
  • the rod-shaped longitudinal elements of at least one winding are fixed to one another.
  • At least two of the rod-shaped longitudinal elements of windings arranged directly adjacent to one another are fixed to one another.
  • the winding or its windings can be fixed and stiffened.
  • alternating forces and thermo-mechanical stresses generated from the electromagnetic coupling between the winding and iron of other components of the electrical machine in the alternating field of the electrical machine can be distributed and thus more easily tolerated by the windings or windings.
  • the rod-shaped longitudinal elements can also be fixed by gluing, encapsulating and/or a baked lacquer that adheres under heat, essentially at points or over a large area.
  • a further advantageous embodiment provides that the first winding is spaced from the stator tooth by means of at least one radial spacer element, so that a free space is realized between a radial inside of the first winding and the stator tooth for the purpose of a cooling fluid flow.
  • the size of a contact surface realized by the radial spacer element on the first winding can be, for example, at most 1/20 of the inner surface formed by the first winding opposite the stator tooth.
  • the radial distance between the first winding and the stator tooth realized by the radial spacer element is between 0.3 mm and 0.7 mm, for example.
  • the radial distance can be 0.5 mm to 0.6 mm. This radial distance ensures that the components can be directly cooled or flushed with a coolant while at the same time having a small installation space.
  • At least one axial spacer element can be arranged between at least two rod-shaped longitudinal elements, so that a free space is realized between the rod-shaped longitudinal elements for the purpose of a cooling fluid flowing through them.
  • an axial distance, realized here between rod-shaped longitudinal elements of the same winding can be between 0.3 mm and 0.7 mm and in particular between 0.5 mm and 0.6 mm.
  • At least one spacer element can be arranged radially between windings arranged directly adjacent to one another, so that a free space is realized between these windings for the purpose of a cooling fluid flowing through them.
  • the distance, this time realized between rod-shaped longitudinal elements of a plurality of windings can be between 0.3 mm and 0.7 mm and in particular between 0.5 mm and 0.6 mm.
  • At least one of the axial spacer elements, radial spacer elements and/or spacer elements can also be used to fix the rod-shaped longitudinal elements to one another, in which case the axial spacer elements, radial spacer elements and/or spacer elements can be used to completely or supportively fix the windings.
  • the stator according to the invention thus ensures direct cooling of the winding or windings via spacer elements or spacer elements to create gaps and spaces in a winding or between a winding and adjacent components.
  • These columns or spaces can be flowed through by a cooling medium, the distance between at least one cooling element and an opposite boundary of a respective flow channel is sufficiently large, so that sufficient cooling medium can be passed through the flow channel per unit of time and heat can be transferred from power-bearing components directly to the cooling medium and removed from it by convection.
  • the spacer elements or spacer elements ensure that the number and/or size of the surfaces of power-carrying components that can be contacted by the cooling medium is greatly increased compared to conventional axial flow machines, so that the cooling can take place very effectively.
  • stator tooth In the case of several windings arranged radially nested in one another on a stator tooth, several or all of the windings arranged on this stator tooth can be designed according to the invention and/or connected to one another.
  • a very concentrated coil arrangement can be implemented overall in an axial flux machine, with a number of coil sides that is necessary in particular for the no-load voltage in the so-called corner point.
  • each winding or coil has a defined number of turns, realized by individual rods or rod-shaped longitudinal elements electrically connected in series, which are stacked axially and thus form a respective layer of line elements on each side of the stator tooth.
  • the coil or winding which is arranged radially further outward in this regard envelops the radially inner coil and, in a further enveloping layer, comprises further rods or rod-shaped longitudinal elements connected in series.
  • Each enveloping coil can have a different number of coil sides or rod-shaped longitudinal elements on one coil side.
  • a further aspect of the present invention is an axial flow machine which has at least one stator according to the invention.
  • the inventive An axial flow machine can have a stator, configured according to the present invention, on both axial sides of a rotor.
  • Figure 1 an axial flow machine in a perspective view
  • Figure 2 an axial flow machine in an exploded view
  • Figure 3 a stator of the axial flow machine in a perspective view
  • Figure 4 a winding package in plan view
  • Figure 5 the winding package in a perspective view
  • Figure 6 the winding package in a sectional view along the section line C-C shown in Figure 4,
  • FIG. 7 an enlarged detail from FIG. 6,
  • FIG. 8 a sectional view of a stator tooth with a winding package arranged thereon
  • Figure 9 an enlarged detail from Figure 8.
  • the axial flux machine 1 shown in FIGS. 1 and 2 comprises, in the embodiment shown here, two stator halves 11 as the stator 10, between which the rotor 20, which is rotatable about an axis of rotation 21 with respect to the stator halves 11, is arranged axially.
  • each stator half 11 includes a so-called stator yoke 30, which can also be referred to as a stator core.
  • Stator teeth 40 arranged essentially in a star shape extend in the axial direction from this stator yoke 30 .
  • each stator half 11 also has a number of winding packages 43 corresponding to the number of stator teeth 40 .
  • a winding package 43 is assigned to each stator tooth 40 . Only the first connections 56 of these winding packets 43 can be seen on the stator half 11 shown on the right in FIG.
  • These first connections 56 which run essentially parallel to the axis of rotation of the axial flow machine, connect axially opposite winding packages 43 to one another.
  • FIG. 3 shows the stator yoke 30 of a stator half 11 in a perspective view.
  • the axially protruding stator teeth 40 are clearly visible here.
  • Slots 42 are formed between side surfaces 41 of a respective stator tooth 40 . These grooves 42 serve to accommodate rod-shaped longitudinal elements 72, as indicated in FIG. 6, of a respective winding stack 43, as is also shown in FIG. 3 by way of example.
  • Such a winding package 43 is shown in FIGS. 4 and 5 in different views.
  • the winding package 43 includes a first winding, which can also be referred to as a first coil.
  • the first winding 50 is surrounded radially by a further winding 60.
  • Individual turns 54 of both windings 50, 60 have the same pitch and/or the same winding direction.
  • the first winding 50 includes a first connection 56 for electrical contact, and the other winding 60 includes a second connection 62 for electrically contacting the winding package 43. Between the two windings 50,60 is a connecting section 55 for electrically connecting the two windings 50,60 to one another intended.
  • a respective winding 50, 60 includes a plurality of turns 54, the components of which are the rod-shaped longitudinal elements 72, which are to be placed in the slots 42.
  • FIG. 6 shows the winding package 43 along the line of section CC indicated in FIG.
  • the layered arrangement of the two windings 50,60 is clearly visible.
  • the radial outside 52 of the first winding 50 essentially corresponds to the radial inside 61 of the further winding 60 or rests against it or is at a small distance from it.
  • the winding package 43 and also their individual windings 50, 60 form a first coil side 70 and a second coil side 71, with each coil side 70, 71 running in its own slot 42.
  • This geometric design and the radial nesting of the two windings 50, 60 allow a large number of rod-shaped longitudinal elements 72 to be arranged for each stator tooth in a very short axial space, so that a comparatively high voltage is applied to the windings 50, 60 and thus to the stator, or .can be induced here.
  • FIG. 7 shows that the individual turns 54 of the windings 50, 60 can be fixed to one another by means of one or more fixations 80.
  • the windings 50, 60 arranged directly adjacent to one another or their windings 54 can be fixed to one another, for example by means of gluing.
  • This fixation 80 in the radial direction also causes the formation of a spacer element 110 for forming a radial distance 111 between the two windings 50,60.
  • the spacer element 110 can be formed partially between the two windings 50,60, so that there is at least one gap between the two windings 50,60 through which a coolant can flow for the purpose of cooling the windings 54.
  • fixation 80 between individual turns 54 of the two windings 50,60 also forms axial spacer elements 100 between the turns 54 each implement an axial distance 101.
  • a respective axial spacer element 100 can also be formed only partially between the windings 54 in order to leave gaps or cavities free here as well, through which a coolant can flow for the purpose of cooling the windings 54 .
  • the fixation 80 ensures that the windings 50, 60 or their windings 54 withstand the acting electromagnetic forces in a sufficient manner.
  • FIGS. 8 and 9 show the winding package 43 on the stator tooth 40 in a sectional view.
  • a plurality of essentially punctiform radial spacer elements 90 are arranged between the radial inner side 53 or the inner surface 57 of the first winding 50 and the outer side of the stator tooth 40 .
  • a radial distance 91 between the first winding 50 and the stator tooth 40 is realized by these radial spacer elements 90 .
  • a free space 120 is formed between the stator tooth 40 and the first winding 50, through which a coolant can flow, in order thus to dissipate heat from the first winding 50 via convection.
  • stator of an axial flux machine proposed here and with the axial flux machine equipped with the stator, durable units are made available which combine an axially compact size with high performance.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Axialflussmaschine sowie die elektrische Axialflussmaschine selbst. Der Stator (10) der Axialflussmaschine (1 ) umfasst mehrere axial vorstehende Statorzähne (40), wobei mindestens ein Statorzahn (40) mit einer ersten Wicklung (50) umschlungen ist, und diese erste Wicklung (50) auf ihrer radialen Außenseite (53) zumindest bereichsweise von wenigstens einer weiteren Wicklung (60) umgeben ist. Mit dem hier vorgeschlagenen Stator einer Axialflussmaschine sowie mit der mit dem Stator ausgerüsteten Axialflussmaschine werden langlebige Aggregate zur Verfügung gestellt, die eine axial kompakte Größe mit einer hohen Leistung kombinieren.

Description

Stator einer elektrischen Axialflussmaschine und Axialflussmaschine
Die Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Axialflussmaschine sowie die elektrische Axialflussmaschine selbst.
Der elektrische Antriebsstrang ist nach dem Stand der Technik bekannt. Dieser besteht aus Komponenten zur Energiespeicherung, Energiewandlung und Energieleitung. Zu den Komponenten der Energiewandlung gehören elektrische Maschinen bspw. Axialflussmaschinen. Axialflussmaschinen sind nach dem Stand der Technik in diversen Bauweisen mit einem oder mehreren Statoren und einem oder mehreren Rotoren bekannt.
Eine elektrische Axialflussmaschine, auch als Transversalflussmaschine bezeichnet, ist ein Motor oder Generator, bei dem der Magnetfluss zwischen einem Rotor und einem Stator parallel zur Drehachse des Rotors realisiert wird. Andere Bezeichnungen für elektrische Axialflussmaschinen sind auch bürstenloser Gleichstrommotor, permanenterregter Synchronmotor oder Scheibenläufermotor.
Je nach Leistungsbereich bzw. Anwendungsfall ist es oftmals notwendig, in elektrischen Maschinen durch verschiedene Verluste entstehende Wärme durch eine effektive Kühlung abzuführen. Die Kühlung sorgt dafür, dass kritische Temperaturen, welche zu Beschädigungen an Materialien und Komponenten führen könnten, vermieden werden. Darüber hinaus trägt die Kühlung zur Verbesserung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bei, da insbesondere der ohmsche Widerstand in elektrischen Leitern stark temperaturabhängig ist, wodurch bei höheren Temperaturen die Leistungsverluste zunehmen.
Die Kühlung einer elektrischen Rotationsmaschine findet dabei üblicherweise weitgehend im Stator statt. Dabei wird Wärme von der Drahtspule an das umgebende Gehäuse bzw. an den Statorkörper selbst und/ oder umgebende Luft abgegeben. Insbesondere bei elektrischen Maschinen, welche eine hohe Drehmoment- bzw. Leistungsdichte aufweisen, reicht eine Oberflächenkühlung mit Wärmeabgabe an die umgebende Luft oftmals nicht aus, so dass eine Kühlung durch ein Kühlfluid erforderlich ist. Als Kühlfluide können prinzipiell Öle, Wasser bzw. Wassergemische wie z. B. Wasser-Glykol, aber auch dielektrische Flüssigkeiten zum Einsatz kommen. Es ist jedoch auch der Einsatz von gasförmigen Medien, wie zum Beispiel auch Luft, als Kühlmedium nicht ausgeschlossen.
Dabei besteht üblicherweise auch die Anforderung, dass das Kühlsystem bei geringem finanziellen sowie technologischen Aufwand einen möglichst geringen Bauraumbedarf aufweist und einen optimalen Wärmeübergang gewährleistet.
Ein geringer axialer Bauraumbedarf ist zudem auch unabhängig oftmals ein zentrales Anforderungskriterium, unabhängig von der realisierten Kühlung.
Für hohe Leistungsdichten muss die Wicklung einer elektrischen Maschine einen hohen Kupferfüllfaktor aufweisen. Dieser wird üblicherweise realisiert, indem Leiter aus massiven Wicklungsdraht verwendet werden. Diese Art von Wicklungen wird auch als Stabwicklung bezeichnet. Die Leiter werden als Stäbe bezeichnet. Oftmals werden Stäbe von größtenteils rechteckigem Querschnitt gewählt.
Eine Spule einer Wicklung einer Axialflussmaschine weist eine positive Spulenseite und eine negative, in Umfangsrichtung auf der geometrisch gegenüberliegenden Seite eines Statorzahns angeordnete Spulenseite auf, wobei beide Spulenseiten in dafür vorgesehenen Nuten positioniert sind, die Lücken zwischen den Statorzähnen ausbilden. Als Wicklung einer elektrischen Maschine wird der Zusammenschluss mehrerer Spulen mit definierter Windungszahl bezeichnet. Je Spulenseite einer Wicklung im magnetischen Feld wird eine definierte Spannung induziert. Konzentrierte Stabwicklungen sind nach dem Stand der Technik bekannt. Bei dieser Form der Wicklung werden ein oder mehrere Stäbe unterbrechungsfrei mindestens einmal um den Statorzahn geführt, sodass in jeder Spulenseite eine vorzeichengleiche Spannungsinduktion vorliegt. Aus der elektromagnetischen Kopplung zwischen Wicklung und Eisen weiterer Bestandteile der elektrischen Maschine resultieren im Betrieb der elektrischen Maschine wechselnde Kräfte auf die Wicklung, die das Risiko von Verschleiß oder Ermüdungsverhaltens erhöhen.
Gegebenenfalls sind die Wicklungen mit Statorzähnen verklebt oder verklemmt und/ oder mit einem Epoxidharz vollständig vergossen.
Bei einigen bekannten Axialflussmaschinen sind die Wicklungen durch eine sehr hohe Anzahl von elektrischen Leitern in Form von dünnen Drähten, die mehrere Statorzähne umschlingen, realisiert.
Aus der WO 01/11755 A1 ist eine elektrische Axialflussmaschine bekannt, die beidseitig eines Rotors jeweils einen Stator aufweist. Die Statoren weisen wiederum jeweils ein ringförmiges Joch auf, mit sich radial von innen nach außen erstreckenden Nuten, in denen Mehrphasenwicklungen geführt sind.
Um insbesondere axial kompakte Maschinen zu realisieren ist es notwendig, die Abmessungen der gesamten Maschine sowie die Abmessungen der einzelnen Komponenten zu optimieren bzw. zu minimieren. Gleichzeitig muss aber für die geforderte Leerlaufspannung die gesamte Spannungsinduktion jeder Phase mittels einer passenden Anzahl an Windungen bzw. Spulenseiten in einer passenden elektrischen Verschaltung gewährleistet sein.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stator einer Axialflussmaschine sowie eine mit dem Stator ausgerüstete langlebige Axialflussmaschine zur Verfügung zu stellen, die eine axial kompakte Größe mit einer hohen Leistung kombinieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator einer Axialflussmaschine gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Axialflussmaschine gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Stators der Axialflussmaschine sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.
Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Erfindung betrifft einen Stator einer Axialflussmaschine mit mehreren axial vorstehenden Statorzähne, wobei mindestens ein Statorzahn mit einer ersten Wicklung umschlungen ist, und diese erste Wicklung auf ihrer radialen Außenseite zumindest bereichsweise von wenigstens einerweiteren Wicklung umgeben ist.
Unter einem Statorzahn ist im Sinne der Erfindung ein axial von einem Statorjoch, welches eine im Wesentlichen zweidimensionale Ausgestaltung aufweist, axial abstehender Vorsprung zu verstehen, der mit einem elektrischen Leiter umwickelt ist, so dass der elektrische Leiter eine Spule ausbildet, dessen Längsachse im Wesentlichen parallel zu einer Drehachse einer mit einem Rotor ausgestatteten Axialflussmaschine verläuft.
Die Begriffe „radial“, „axial“ und „in Umfangsrichtung“ beziehen sich im Rahmen der hier vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche auf die Wicklung um einen Statorzahn, insofern nicht explizit anders bezeichnet.
Die jeweilige Wicklung umfasst mehrere Windungen, die mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Steigung um den Statorzahn herumgeführt sind, und damit je Statorzahn eine Spule ausbilden.
Die erste Wicklung ist dabei unmittelbar benachbart zum Statorzahn ausgeführt, wobei erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen sein soll, dass zwischen der ersten Wicklung und dem Statorzahn noch eine weitere Schicht bzw. ein weiteres Element angeordnet ist, wie zum Beispiel ein Lack oder auch Isoliermaterial. An ihrer radialen Außenseite ist die erste Wicklung an ihrem Umfang von der weiteren Wicklung umschlossen. Hinsichtlich der axialen Erstreckungen der beiden Wicklungen kann es Unterschiede zwischen den beiden Wicklungen geben.
Die aus der ersten Wicklung und einer jeweiligen weiteren Wicklung realisierte Einheit wird auch als Wicklungspaket bezeichnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Stators sind sämtliche Statorzähne mit einer ersten Wicklung und mit einerweiteren, die jeweilige erste Wicklung umschlingenden Wicklung versehen.
Die Erfindung schließt des Weiteren nicht aus, dass mehrere weitere Wicklungen in Bezug zu einem jeweiligen Statorzahn angeordnet sind, wobei alle Wicklungen radial ineinander verschachtelt angeordnet sind.
Die radial ineinander geschachtelte Anordnung von mehreren Wicklungen bzw.
Spulen eröffnet die Möglichkeit einer deutlich erhöhten Spannungsinduktion bzw. Anlegen einer Spannung und damit einen höheren Wirkungsgrad. Dies bedingt, dass die mit dem erfindungsgemäßen Rotor ausgestattete Axialflussmaschine axial relativ kurz gebaut werden kann, oder aber bei gleichbleibender axialer Länge mit einer höheren Spannung betrieben werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die an einem jeweiligen Statorzahn angeordneten Wicklungen elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.
Dabei können an einem jeweiligen Statorzahn radial unmittelbar zueinander benachbart angeordnete Wicklungen miteinander mittels jeweils eines Verbindungsabschnitts elektrisch verbunden sein.
Beispielsweise können dabei die an einem jeweiligen Statorzahn angeordneten Wicklungen eine gleiche Steigung und/ oder eine gleiche Wicklungsrichtung haben. Zur Realisierung einer hohen Stromdichte kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die an einem jeweiligen Statorzahn angeordneten Wicklungen stabförmige Längselemente aufweisen, die im Wesentlichen radial in Bezug zur Drehachse einer mit dem Rotor ausgestatteten Axialflussmaschine verlaufen. Derartige stabförmige Längselemente können auch als Stäbe bezeichnet werden.
In üblicher Ausgestaltung des Rotors verläuft die Drehachse einer mit dem Rotor ausgestatteten Axialschlussmaschine im geometrischen Zentrumsbereich bzw. Mittelpunkt des Rotors.
Ein jeweiliger Statorzahn umfasst im Wesentlichen senkrecht zur Umfangsrichtung ausgerichtete Seitenflächen. Die stabförmigen Längselemente liegen bei der ersten Wicklung im Wesentlichen an diesen Seitenflächen an. Stabförmige Längselemente von weiteren Wicklungen sind im Wesentlichen parallel zu diesen Seitenflächen ausgerichtet. Beispielsweise kann eine solche Seitenfläche im Wesentlichen eben ausgestaltet sein, sodass dazu parallel verlaufende stabförmige Längselemente im Wesentlichen linear ausgestaltet sind.
Dabei kann der Querschnitt eines stabförmigen Längselements eine Breite B und eine Dicke D aufweisen, wobei gilt: B/D > 1,5.
Zur Anordnung einer großen Anzahl von Windungen in einer Wicklung kann das Verhältnis auch sein: B/D > 2. In einer elektrisch vorteilhaften Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass sich das geometrische Maß mit der größeren Länge, hier also die Breite, radial zur axial verlaufenden Längsachse des Statorzahns erstreckt.
In alternativer Ausgestaltung ist allerdings auch ein runder Querschnitt des stabförmigen Längselements nicht ausgeschlossen.
Dabei wird entweder die Gesamtheit mehrerer auf einem Statorzahn angeordneten Wicklungen, also das Wicklungspaket, aus einem durchgängigen Draht bzw. Stabmaterial gefertigt, oder mindestens eine Wicklung auf dem betreffenden Statorzahn aus einem durchgängigen Draht bzw. Stabmaterial gefertigt. Zwecks Sicherstellung der notwendigen Positionen der Windungen der Wicklungen kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei der stabförmigen Längselemente wenigstens einer Wicklung aneinander fixiert sind.
Alternativ oder hinzukommend kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei der stabförmigen Längselemente von unmittelbar zueinander benachbart angeordneten Wicklungen aneinander fixiert sind.
Dadurch lässt sich die Wicklung bzw. deren Windungen fixieren und versteifen. Derart können aus der elektromagnetischen Kopplung zwischen Wicklung und Eisen weiterer Bestandteile der elektrischen Maschine im Wechselfeld der elektrischen Maschine erzeugte wechselnde Kräfte sowie thermo-mechanische Spannungen verteilt und derart leichter von den Wicklungen bzw. Windungen ertragen werden.
Zur Fixierung ist es möglich, die Stäbe der Wicklung oder auch mehrerer Wicklungen durch Verkleben miteinander fest zu verbinden, sodass ein zusammenhängendes Segment entsteht.
Die Fixierung der stabförmigen Längselemente kann auch durch Verklebung, Verguss und/ oder einen unter Wärme klebenden Backlack realisiert sein, und zwar im Wesentlichen punktuell oder flächig.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Wicklung mittels wenigstens eines Radial-Distanzelements vom Statorzahn beabstandet ist, so dass ein Freiraum zwischen einer radialen Innenseite der ersten Wicklung und dem Statorzahn zwecks Durchströmung mit einem Kühlfluid realisiert ist.
Die Größe einer vom Radial-Distanzelement an der ersten Wicklung realisierten Anlagefläche kann dabei beispielsweise maximal 1/20 der von der ersten Wicklung gegenüber dem Statorzahn ausgebildeten Innenfläche betragen.
Der durch das Radial-Distanzelement realisierte Radial-Abstand zwischen der ersten Wicklung und dem Statorzahn beträgt beispielsweise zwischen 0,3 mm und 0,7 mm. Insbesondere kann der Radial-Abstand 0,5 mm bis 0,6 mm betragen. Durch diesen Radial-Abstand wird gewährleistet, dass eine direkte Kühlung oder Umspülung der Komponenten mit einem Kühlmittel bei gleichzeitig geringem Bauraum erfolgen kann.
Dadurch entstehen wesentlich kürzere Wärmepfade mit einem vergleichsweisen geringen thermischen Widerstand, wodurch eine hohe Stromdichte im Wicklungsdraht und damit eine hohe Leistungsdichte, also eine hohe Stromtragfähigkeit der Wicklung, realisierbar ist.
Zwischen wenigstens zwei stabförmigen Längselementen kann wenigstens ein Axial- Distanzelement angeordnet sein, so dass ein Freiraum zwischen den stabförmigen Längselementen zwecks Durchströmung mit einem Kühlfluid realisiert ist.
Auch hier kann ein Axial-Abstand, hier realisiert zwischen stabförmigen Längselementen derselben Wicklung, beispielsweise zwischen 0,3 mm und 0,7 mm und insbesondere zwischen 0,5 mm bis 0,6 mm betragen.
Des Weiteren kann radial zwischen unmittelbar zueinander benachbart angeordneten Wicklungen wenigstens ein Abstandselement angeordnet sein, so dass ein Freiraum zwischen diesen Wicklungen zwecks Durchströmung mit einem Kühlfluid realisiert ist. Auch hier kann der Abstand, diesmal realisiert zwischen stabförmigen Längselementen mehrerer Wicklungen, beispielsweise zwischen 0,3 mm und 0,7 mm und insbesondere zwischen 0,5 mm bis 0,6 mm betragen.
Wenigstens eines der Axial-Distanzelemente, Radial-Distanzelemente und/ oder Abstandselemente kann dabei auch zur Fixierung der stabförmigen Längselemente aneinander dienen, wobei die Axial-Distanzelemente, Radial-Distanzelemente und/ oder Abstandselemente zur vollständigen oder unterstützenden Fixierung der Wicklungen dienen können.
Der erfindungsgemäße Stator gewährleistet somit eine direkte Kühlung der Wicklung bzw. Wicklungen über Distanzelemente bzw. Abstandselemente zur Realisierung von Spalten und Räumen in einer Wicklung bzw. zwischen einer Wicklung und angrenzenden Komponenten. Diese Spalten bzw. Räume können von einem Kühlmedium durchströmt werden, wobei der Abstand zwischen wenigstens einem zu kühlenden Element und einer gegenüberliegenden Begrenzung eines jeweiligen Strömungskanals ausreichend groß ist, sodass ausreichend Kühlmedium je Zeiteinheit durch den Strömungskanal hindurchgeleitet werden kann und Wärme von leistungstragenden Komponenten unmittelbar auf das Kühlmedium übertragen und von diesem mittels Konvektion abgeführt werden kann.
Die Distanzelemente bzw. Abstandselemente sorgen insgesamt dafür, dass die Anzahl und/oder Größe der Flächen von leistungstragenden Komponenten, die von Kühlmedium kontaktiert werden können, im Vergleich zu herkömmlichen Axialflussmaschinen stark erhöht ist, sodass die Kühlung sehr effektiv erfolgen kann.
Im Falle von mehreren radial ineinander geschachtelt auf einem Statorzahn angeordneten Wicklungen können mehrere oder alle auf diesem Statorzahn angeordneten Wicklungen erfindungsgemäß ausgestaltet und/ oder miteinander verbunden sein.
Durch die radial geschachtelt angeordneten Wicklungen bzw. Spulen lässt sich bei einer Axialflussmaschine insgesamt eine sehr konzentrierte Spulenanordnung realisieren, mit einer insbesondere für die Leerlaufspannung im sogenannten Eckpunkt notwendigen Anzahl an Spulenseiten.
In vorteilhafter Ausführungsform umfasst eine jeweilige Wicklung bzw. Spule eine definierte Windungszahl, realisiert durch in einzelne, elektrisch in Reihe verschaltete Stäbe bzw. stabförmige Längselemente, die axial gestapelt vorliegen und somit eine jeweilige Schicht von Leitungselementen auf jeweils einer Seite des Statorzahns ausbilden.
Die diesbezüglich radial weiter außen angeordnete Spule bzw. Wicklung hüllt die radial innere Spule ein und umfasst in einerweiteren, umhüllenden Schicht weitere in Reihe geschaltete Stäbe bzw. stabförmige Längselemente. Jede umhüllende Spule kann dabei unterschiedlich viele Spulenseiten bzw. stabförmige Längselemente an einer Spulenseite aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Axialflussmaschine, welche wenigstens einen erfindungsgemäßen Stator aufweist. Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine kann axial beidseitig eines Rotors jeweils einen Stator aufweisen, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
Figur 1 : eine Axialflussmaschine in perspektivischer Ansicht,
Figur 2: eine Axialflussmaschine in Explosionsdarstellung,
Figur 3: einen Stator der Axialflussmaschine in perspektivischer Ansicht,
Figur 4: ein Wicklungspaket in Draufsicht,
Figur 5: das Wicklungspaket in perspektivischer Ansicht,
Figur 6: das Wicklungspaket in Schnittansicht entlang des in Figur 4 dargestellten Schnittverlaufes C-C,
Figur 7: einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 6,
Figur 8: einen Statorzahn mit darauf angeordnetem Wicklungspaket in Schnittansicht, und
Figur 9: einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 8.
Zunächst wird der allgemeine Aufbau einer Axialflussmaschine 1 anhand der Figuren 1 und 2 erläutert.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Axialflussmaschine 1 umfasst in der hier dargestellten Ausführungsform als Stator 10 zwei Statorhälften 11, zwischen denen axial der bezüglich der Statorhälften 11 um eine Drehachse 21 drehbare Rotor 20 angeordnet ist.
An wenigstens einer Statorhälfte 11 sind in der hier dargestellten Ausführungsform mehrere Kühlmittelanschlüsse 22 sowie ein Steckanschluss 23 für eine steuerungstechnische Verbindung und mehrere Phasen-Anschlüsse 24 angeordnet. Wie aus der Explosionsdarstellung in Figur 2 ersichtlich ist, umfasst eine jeweilige Statorhälfte 11 ein sogenanntes Statorjoch 30, welches auch als Statorkern bezeichnet werden kann. Von diesem Statorjoch 30 erstrecken sich im Wesentlichen sternförmig angeordnete Statorzähne 40 in axialer Richtung.
Wie ebenfalls aus der Explosionsdarstellung in Figur 2 ersichtlich ist, umfasst eine jeweilige Statorhälfte 11 des Weiteren der Anzahl der Statorzähne 40 entsprechend viele Wicklungspakete 43. Jedem Statorzahn 40 ist ein Wicklungspaket 43 zugeordnet. An der in Figur 2 rechts dargestellten Statorhälfte 11 sind von diesen Wicklungspaketen 43 lediglich die ersten Anschlüsse 56 ersichtlich.
Diese ersten Anschlüsse 56, die im Wesentlichen parallel zur Drehachse der Axialflussmaschine verlaufen, verbinden axial gegenüberliegende Wicklungspakete 43 miteinander.
Figur 3 zeigt das Statorjoch 30 einer Statorhälfte 11 in perspektivischer Ansicht. Deutlich sind hier die axial vorstehenden Statorzähne 40 ersichtlich. Zwischen Seitenflächen 41 eines jeweiligen Statorzahns 40 sind Nuten 42 ausgebildet. Diese Nuten 42 dienen zur Aufnahme von stabförmigen Längselementen 72, wie sie in Figur 6 angedeutet sind, eines jeweiligen Wicklungspakets 43, wie es beispielhaft ebenfalls in Figur 3 gezeigt ist.
Ein solches Wicklungspaket 43 ist in den Figuren 4 und 5 in unterschiedlichen Ansichten gezeigt.
Das Wicklungspaket 43 umfasst eine erste Wicklung, die auch als erste Spule bezeichnet werden kann. Die erste Wicklung 50 ist radial umgeben von einer weiteren Wicklung 60. Einzelne Windungen 54 beider Wicklungen 50,60 weisen die gleiche Steigung und/oder die gleiche Wicklungsrichtung auf.
Die erste Wicklung 50 umfasst einen ersten Anschluss 56 zur elektrischen Kontaktierung, und die weitere Wicklung 60 umfasst einen zweiten Anschluss 62 zur elektrischen Kontaktierung des Wicklungspakets 43. Zwischen beiden Wicklungen 50,60 ist ein Verbindungsabschnitt 55 zum elektrischen Anschluss der beiden Wicklungen 50,60 aneinander vorgesehen.
Aus einer Zusammenschau der Figuren 3 und 5 ist ersichtlich, dass die Längsachse 51 der ersten Wicklung 50 parallel zur Drehachse 21 der Axialflussmaschine verläuft. Eine jeweilige Wicklung 50,60 umfasst mehrere Windungen 54, deren Bestandteile die stabförmigen Längselemente 72 sind, die in den Nuten 42 zu platzieren sind.
Figur 6 zeigt das Wicklungspaket 43 entlang des in Figur 4 angedeuteten Schnittverlaufes C-C. Hier ist deutlich die schichtweise Anordnung der beiden Wicklungen 50,60 ersichtlich. Es ist erkennbar, dass die radiale Außenseite 52 der ersten Wicklung 50 im Wesentlichen mit der radialen Innenseite 61 der weiteren Wicklung 60 übereinstimmt bzw. an dieser anliegt oder mit einem kleinen Abstand zu dieser beabstandet ist. Das Wicklungspaket 43 sowie auch deren einzelne Wicklungen 50,60 bildet dabei eine erste Spulenseite 70 und eine zweite Spulenseite 71 aus, wobei eine jeweilige Spulenseite 70,71 in einer eigenen Nut 42 verläuft.
Aus Figur 9 ist ersichtlich, dass die Breite B eines jeweiligen stabförmigen Längselements 72 deutlich größer ist als dessen Dicke D.
Durch diese geometrische Ausgestaltung und durch die radiale Verschachtelung der beiden Wicklungen 50,60 lässt sich auf sehr kurzen axialen Raum eine Vielzahl von stabförmigen Längselementen 72 je Statorzahn anordnen, sodass eine vergleichsweise hohe Spannung an die Wicklungen 50,60 und damit an den Stator angelegt bzw. hier induziert werden kann.
Figur 7 zeigt, dass die einzelnen Windungen 54 der Wicklungen 50,60 mittels einer oder mehrerer Fixierungen 80 aneinander fixiert sein können. Dabei können die unmittelbar benachbart angeordneten Wicklungen 50,60 bzw. deren Windungen 54 zum Beispiel mittels Verklebung aneinander fixiert sein. Diese Fixierung 80 in radialer Richtung bewirkt zudem die Ausbildung eines Abstandselements 110 zur Ausbildung eines radialen Abstandes 111 zwischen den beiden Wicklungen 50,60. Das Abstandselement 110 kann partiell zwischen den beiden Wicklungen 50,60 ausgebildet sein, sodass wenigstens ein Spalt zwischen den beiden Wicklungen 50,60 existiert, der von einem Kühlmittel durchströmt werden kann, zwecks Kühlung der Windungen 54.
Zudem bildet die Fixierung 80 zwischen einzelnen Windungen 54 der beiden Wicklungen 50,60 auch Axial-Distanzelemente 100 aus, die zwischen den Windungen 54 jeweils einen Axial-Abstand 101 realisieren. Auch ein jeweiliges Axial- Distanzelement 100 kann dabei lediglich partiell zwischen den Windungen 54 ausgebildet sein, um auch hier Spalte bzw. Hohlräume freizulassen, die von einem Kühlmittel zwecks Kühlung der Windungen 54 durchströmt werden können.
Mit der Fixierung 80 wird gewährleistet, dass die Wicklungen 50,60 bzw. deren Windungen 54 den wirkenden elektromagnetischen Kräften in ausreichender Weise standhalten.
Die Figuren 8 und 9 zeigen das Wicklungspaket 43 auf dem Statorzahn 40 in geschnittener Ansicht. Hier ist ersichtlich, dass zwischen der radialen Innenseite 53 bzw. der Innenfläche 57 der ersten Wicklung 50 und der Außenseite des Statorzahns 40 mehrere im wesentlichen punktförmig ausgebildete Radial-Distanzelemente 90 angeordnet sind. Durch diese Radial-Distanzelemente 90 wird ein Radial-Abstand 91 zwischen der ersten Wicklung 50 und dem Statorzahn 40 realisiert.
Dadurch bildet sich ein Freiraum 120 zwischen dem Statorzahn 40 und der ersten Wicklung 50 aus, der von einem Kühlmittel durchflossen werden kann, um somit über Konvektion Wärme von der ersten Wicklung 50 abzuführen.
Mit dem hier vorgeschlagenen Stator einer Axialflussmaschine sowie mit der mit dem Stator ausgerüsteten Axialflussmaschine werden langlebige Aggregate zur Verfügung gestellt, die eine axial kompakte Größe mit einer hohen Leistung kombinieren.
Bezuqszeichenliste
1 Axialflussmaschine
10 Stator 11 Statorhälfte
20 Rotor
21 Drehachse
22 Kühlmittelanschluss
23 Steckanschluss 24 Phasen-Anschluss
30 Statorjoch
40 Statorzahn
41 Seitenfläche
42 Nut 43 Wicklungspaket
50 erste Wicklung
51 Längsachse
52 radiale Außenseite der ersten Wicklung
53 radiale Innenseite der ersten Wicklung 54 Windung
55 Verbindungsabschnitt
56 erster Anschluss
57 Innenfläche
60 weitere Wicklung 61 radiale Innenseite der weiteren Wicklung
62 zweiter Anschluss
70 Erste Spulenseite
71 Zweite Spulenseite
72 stabförmiges Längselement 80 Fixierung
90 Radial-Distanzelement
91 Radial-Abstand 100 Axial-Distanzelement
101 Axial-Abstand
110 Abstandselement
111 Abstand 120 Freiraum
B Breite
D Dicke

Claims

Patentansprüche
1. Stator (10) einer Axialflussmaschine (1 ), umfassend mehrere axial vorstehende Statorzähne (40), wobei mindestens ein Statorzahn (40) mit einer ersten Wicklung (50) umschlungen ist, und diese erste Wicklung (50) auf ihrer radialen Außenseite (53) zumindest bereichsweise von wenigstens einer weiteren Wicklung (60) umgeben ist.
2. Stator einer Axialflussmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die an einem jeweiligen Statorzahn (40) angeordneten Wicklungen (50,60) elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.
3. Stator einer Axialflussmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einem jeweiligen Statorzahn (40) radial unmittelbar zueinander benachbart angeordnete Wicklungen (50,60) miteinander mittels jeweils eines Verbindungsabschnitts (55) elektrisch verbunden sind.
4. Stator einer Axialflussmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an einem jeweiligen Statorzahn (40) angeordneten Wicklungen (50,60) eine gleiche Steigung und/ oder eine gleiche Wicklungsrichtung haben.
5. Stator einer Axialflussmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an einem jeweiligen Statorzahn (40) angeordneten Wicklungen (50,60) stabförmige Längselemente (72) aufweisen, die im Wesentlichen radial in Bezug zu einer Drehachse (21) einer mit einem Rotor (20) ausgestatteten Axialflussmaschine verlaufen.
6. Stator einer Axialflussmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt eines stabförmigen Längselements (72) eine Breite B und eine Dicke D aufweist, wobei gilt: B/D > 1,5.
7. Stator einer Axialflussmaschine nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der stabförmigen Längselemente (72) wenigstens einer Wicklung (50,60) aneinander fixiert sind.
8. Stator einer Axialflussmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der stabförmigen Längselemente (72) von unmittelbar zueinander benachbart angeordneten Wicklungen (50,60) aneinander fixiert sind.
9. Stator einer Axialflussmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wicklung (50) mittels wenigstens eines Radial-Distanzelements (90) vom Statorzahn (40) beabstandet ist, so dass ein Freiraum (120) zwischen einer radialen Innenseite (53) der ersten
Wicklung (50) und dem Statorzahn (40) zwecks Durchströmung mit einem Kühlfluid realisiert ist.
10. Axialflussmaschine (1 ), umfassend wenigstens einen Stator (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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