EP4721244A1 - Statormodul und stator für eine elektrische rotationsmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Statormodul und einen Stator einer elektrischen Rotationsmaschine, sowie die elektrische Rotationsmaschineselbst. Das Statormodul der elektrischen Rotationsmaschineumfasst mehrere Spulen (1, 2, 3), die mehreren Phasen zugeordnet sind und entlang eines Umfangs angeordnet sind, wobei Spulen (1, 2, 3) des Statormoduls jeweils eine mehrlagige Wicklung (40) eines Leitermaterials um einen Statorzahn (20) gewunden ausbilden, und eine jeweilige Phasen-Zuleitung (44) dieser Spulen (1, 2, 3) an einer am Statorzahn (20) anliegenden Windung (46) der jeweiligen Spule (1, 2, 3) realisiert ist. Mit dem hier vorgeschlagenen Statormodul, dem Stator und der elektrischen Rotationsmaschinewerden technische Lösungen zur Verfügung gestellt, in einfacher, bauraumsparender sowie kostengünstiger Weise einen hocheffizienten Betrieb ermöglichen.

Description

Statormodul und Stator für eine elektrische Rotationsmaschine

Die Erfindung betrifft ein Statormodul und einen Stator für eine elektrische Rotationsmaschine-Maschine, wie z.B. für eine Axialflussmaschine, sowie die elektrische Rotationsmaschine selbst.

Aus dem Stand der Technik sind in vielen industriellen Anwendungen elektrische Antriebsmaschinen bekannt, die auch zunehmend in der Automobilindustrie ihre Anwendung finden. Eine solche Maschine umfasst einen Stator und einen diesbezüglich drehbaren Rotor. Der Rotor umfasst üblicherweise eine Rotorwelle, Wuchtbleche, Rotorblechpakete und Magnete.

Insbesondere für die Anwendung in elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen besteht die Anforderung, die erforderliche Leistung in einem verfügbaren Bauraum zu realisieren. Entsprechend häufig wird die elektrische Rotationsmaschine als Axialflussmaschine ausgeführt.

Dabei kann in elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen die Situation auftreten, dass die Axialflussmaschine bei unterschiedlichen Ladungszuständen einer Batterie des Kraftfahrzeuges betrieben wird, beispielsweise zwischen 900 V und 230 V.

Um die Stromstärken für die geforderten Leistungen zu begrenzen, existiert ein Trend zu höheren Betriebsspannungen. Etabliert sind z.B. 400 V Systemspannungen mit einer starken Tendenz zu 800 V - Systemen. Diesen Systemspannungen sind die Spannungsschwankungen aufgrund des Ladungszustandes der Batterie überlagert, so dass z.B. für ein 800 V System Betriebsspannungen zwischen 230 V und 900 V herrschen können.

Des Weiteren können sogenannte Spannungs-Überschwinger auftreten, die Spannungserhöhungen zwischen ca. 20 % bis 100 % der Grundspannung bewirken. Im Extremfall kann diese Situation gleichzeitig mit einer hohen Temperatur und/oder einen niedrigen Luftdruck, wie zum Beispiel in Höhenlagen, auftreten, die ungesteuerte Teilentladungen begünstigen. Aufgrund dessen, dass an einem Umfang benachbart angeordnete Spulen üblicherweise unterschiedlichen Phasen zugeordnet sind, können insbesondere in den genannten Extremsituationen sehr hohe Spannungen zwischen den Spulen bestehen. Eine entsprechende Isolationswirkung muss von dem Isolatormaterial der Spulen gewährleistet werden.

Unterschiedliche Ausführungen von Axialflussmaschinen erfordern daher zusätzlich zum Isolatormaterial noch Phasentrenner zwischen den Spulen, und/oder besondere Isolatormaterialien oder auch besonders dicke Wandstärken der Isolatormaterialien. Sowohl ein Phasentrenner als auch besonders dicke Isolatormaterialien reduzieren allerdings den Kupferfüllfaktor der Wicklung und erschweren die Kühlung der Leiter, und/oder erhöhen die Material- und Herstellungskosten.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Statormodul, einen Stator und eine elektrische Rotationsmaschine zur Verfügung zu stellen, in einfacher, bauraumsparender sowie kostengünstiger Weise einen hocheffizienten Betrieb ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch das Statormodul nach Anspruch 1 , den Stator nach Anspruch 7 sowie durch die elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Statormoduls sind in den Unteransprüchen 2-6 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen des Stators sind in den Unteransprüchen 8 und 9 angegeben. Eine vorteilhafte Ausführungsform der elektrischen Rotationsmaschine ist im Unteranspruch 11 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 ein Statormodul einer Axialflussmaschine, umfassend mehrere

Spulen, die mehreren Phasen zugeordnet sind und entlang eines Umfangs angeordnet sind, wobei Spulen des Statormoduls jeweils eine mehrlagige Wicklung eines Leitermaterials um einen Statorzahn gewunden ausbilden, und eine jeweilige Phasen-Zuleitung dieser Spulen an einer am Statorzahn anliegenden Windung der jeweiligen Spule realisiert ist.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Statormodul eine Einzelzahnwicklung aufweist.

Der Statorzahn kann von einem Eisenkern ausgebildet sein.

Das Statormodul kann dabei einen Stator ausbilden, oder auch nur ein Modul eines Stators, wie z.B. eine axiale Statorseite. Die Ausführung als mehrlagige Wicklung bedeutet, dass die Wicklung mehrere radial aneinander liegende Schichten von Leitermaterial ausbildet.

Unter einer am Statorzahn anliegenden Windung kann auch eine Windung verstanden werden, die den radial geringsten Abstand zum Zentrum des Statorzahns aufweist, auch wenn sich zwischen Statorzahn und Windung noch eine Zwischenschicht befinden sollte.

Die radiale Position bezieht sich im Kontext der vorliegenden Erfindung auf eine Rotationsachse eines Rotors einer mit dem Statormodul bzw. dem Stator ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine. Im Fall einer Axialflussmaschine verläuft die Rotationsachse parallel zur Längsachse des Statorzahns.

Die mehreren Lagen einer Wicklung haben unterschiedliche Abstände zum Eisenkern als auch zu den benachbarten Spulen. Die radial innerste Wickellage liegt nahe am Statorzahn und hat den größten Abstand zu den Nachbarspulen. Die daran anschließenden und radial weiter außen liegenden Wickellagen haben sukzessiv größere Abstände zum Zahn und kleinere Abstände zu den Nachbarspulen. Die radial äußerste Wickellage hat den kleinsten Abstand zu den Nachbarspulen.

Indem die Phasen-Zuleitung an der radial innersten Wickellage erfolgt, liegt an dieser Wickellage auch das höchste Spannungspotential an. Die weiteren Wickellagen haben sukzessive geringere Spannungspotentiale. Die radial äußerste Wickellage hat demnach das geringste Spannungspotential zu den Nachbarwicklungen bzw. Spulen.

Entsprechend wird die Spannung zwischen benachbarten Windungen zweier Spulen minimiert. Dies bietet die Möglichkeit, keinen oder auch nur einen dünnen Phasentrenner zu verwenden, und/oder die Drahtisolation in ihrer Wandstärke zu verringern oder kostengünstige Materialien einzusetzen. Eine Phasen-Ableitung der jeweiligen Spule kann dabei an der radial äußersten Windung der Spulen realisiert sein.

Leitungsmaterial von Windungen benachbarter Spulen kann bereichsweise in einer selben Nut angeordnet sein.

Zur weiteren Minimierung der Spannung zwischen benachbarten Spulen können Spulen gleicher Phase parallel an zumindest eine Spannungsquelle angeschlossen sein.

Dies kann auch dadurch realisiert sein, dass diese Spulen an Phasenausgänge eines Inverters angeschlossen sind.

Weiterhin kann zumindest eine Spule jeder Phase mit ihrer radial äußersten Windung an den Sternpunkt einer Sternschaltung angeschlossen sein.

Die Wicklungen können eine Isolation aufweisen, die eine Dicke von maximal 40 pm hat. In einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt diese Dicke maximal 30 pm, gegebenenfalls nur maximal 25 pm. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Statormodul für eine Betriebsspannung von 400 V oder mehr eingerichtet ist.

Das Isolationsmatenal kann dabei Polyamidimid sein. Das bedeutet, dass die Leiter dünne Drahtisolationen aus einem kostengünstigem Polyamidimid aufweisen können.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Stator einer elektrischen Rotationsmaschine, der mindestens ein gemäß der obigen Beschreibung ausgeführtes Statormodul umfasst.

Dieser Stator kann beispielsweise zwei beschriebene Statormodule umfassen, wobei er derart ausgestaltet ist, dass zwischen den Statormodulen axial ein Rotor der Axialflussmaschine anordbar ist, oder dass die beiden Statormodule zu zwei entgegengesetzten axialen Seiten ausgerichtet sind, so dass die Statorzähne in entgegengesetzte axiale Richtungen zeigen, und zwei Rotoren der Axialflussmaschine axial beidseitig des Stators anordbar sind. Die letztgenannte Alternative bezeichnet eine sogenannte H-Anordnung. Jedes der Statormodule kann dabei beispielsweise Spulen mit jeweils 42 bis 62 Windungen aufweisen, wie zum Beispiel 52 Windungen aufweisen, die separat an zumindest eine Spannungsquelle angeschlossen sind.

Entsprechend ist in dieser Ausführungsform keine Reihenschaltung realisiert. Das Potential der äußeren Windungen liegt stets in der Nähe des Sternpunkt- Potentials. Entsprechend kann auf einen Phasentrenner zwischen benachbarten Spulen verzichtet werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird des Weiteren eine Axialflussmaschine zur Verfügung gestellt, welche zumindest ein oben beschriebenes Statormodul oder einen beschriebenen Stator aufweist.

Diese Axialflussmaschine kann für Betriebsspannungen im Bereich von 400 V oder mehr ausgelegt sein.

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 schematische Darstellung der Spulenanordnung an einem Stator einer Axialflussmaschine, und

Figur 2: eine schematische Darstellung von drei benachbarten und an unterschiedliche Phasen gekoppelten Spulen.

Figur 1 zeigt den generellen Aufbau der Spulenanordnung des Stators einer Axialflussmaschine. Es ist ersichtlich, dass entlang eines Umfangs mehrere Spulen der ersten Phase 1 , mehrere Spulen der zweiten Phase 2 sowie mehrere Spulen der dritten Phase 3 in jeweils einer Spulengruppe zusammengefasst sind, wobei diese Spulengruppe mehrmals entlang des Umfangs angeordnet ist, sodass eine jede einer Phase zugeordnete Spule 1 ,2, 3 in der hier dargestellten Ausführungsform sechsmal vorhanden ist. In der hier dargestellten Ausführungsform sind zwischen einander entlang des Umfangs benachbarten Spulen 1 ,2, 3 jeweils Phasentrenner 10 angeordnet, um das Auftreten von unzulässigen oder unerwünschten Teilentladungen zwischen den Spulen 1 ,2, 3 zu verhindern.

Figur 2 zeigt eine Spulengruppe, die eine Spule der ersten Phase 1 , eine Spule der zweiten Phase 2 sowie eine Spule der dritten Phase 3 umfasst.

Zur vereinfachten Darstellung sind hier diese Spulen 1 ,2, 3 nicht entlang eines gekrümmten Umfangs angeordnet, sondern linear hintereinander dargestellt. Im Folgenden wird der Aufbau einer Spule anhand der Spule der ersten Phase 1 erläutert. Die Spule der ersten Phase 1 ist durch eine Wicklung 40 ausgeführt, die um einen Statorzahn 20, der auch als Statorzahn bezeichnet werden kann, herum gewunden ist.

Die Längsachse 21 des Statorzahns 20 erstreckt sich hier senkrecht zur dargestellten Bildebene.

Die hier dargestellte Wicklung 40 umfasst drei Windungen, nämlich eine erste Windung 41 , eine zweite Windung 42 und eine dritte Windung 43, wobei das erfindungsgemäße Statormodul nicht auf diese Anzahl von Windungen eingeschränkt ist. Die erste Windung 41 ist dabei eine am Statorzahn 20 anliegende Windung 46 und bildet damit die radial innerste Windung 47 bzw. radial innerste Wickellage aus. Die dritte Windung 43 bildet die radial äußerste Windung 48 bzw. radial äußerste Wickellage aus.

An der ersten Windung 41 bzw. der am Statorzahn anliegenden Windung 46, die die radial innerste Windung 47 ausbildet, ist eine Phasen-Zuleitung 44 für die Spule der ersten Phase 1 ausgebildet.

An der dritten Windung 43, die die radial äußerste Windung 48 ausbildet, ist eine Phasen-Ableitung 45 der Spule der ersten Phase 1 ausgebildet. Das bedeutet, dass eine erste Drehstrom-Phase an die Spule der ersten Phase 1 an der radial innersten Windung 47 angelegt wird. Dabei liegt an der radial innersten Windung 47 das höchste Spannungspotential an.

Die beiden anderen Spulen der jeweiligen anderen Phasen 2,3 sind in entsprechender Weise an ihre jeweiligen Phasen angeschlossen. Einander zugewandte Abschnitte der Windungen 41 ,42,43 einander benachbarter Spulen 1 ,2, 3 verlaufen dabei gemeinsam in jeweils einer Nut 30. Durch die Realisierung der Phasen-Zuleitung 44 an der radial innersten Windung 47 sowie der Phasen-Ableitung 45 an der radial äußersten Windung 48 weisen die jeweiligen radial äußersten Windungen 48 der Spulen 1 ,2, 3, die den geringsten Abstand zueinander aufweisen, die geringsten Spannungspotential-Unterschiede auf. Entsprechend besteht in einer jeweiligen Nut 30 nur noch eine geringe Spannung U zwischen benachbarten Spulen 1 ,2, 3, die es ermöglicht, die Leitungselemente der Wicklungen 40 der Spulen 1 ,2, 3 mit einer nur dünnwandigen Isolation und/oder ohne Phasentrenner 10 anzuordnen, wodurch sich der Kupferfüllfaktor des Stators bzw. der Axialflussmaschine erhöhen lässt und damit der Wirkungsgrad.

In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform sind die Phasen-Ableitungen 45 der Spulen 1 ,2, 3 in einer Sternschaltung an einen gemeinsamen Sternpunkt 50 angeschlossen. Entsprechend ist hier keine Reihenschaltung der Spulen 1 ,2, 3 realisiert, was zusätzlich die Spannung U zwischen benachbarten Spulen 1 ,2, 3 mindert, und dadurch weiterhin ermöglicht, auf Isolationsmaßnahmen oder Phasentrennungs-Maßnahmen zu verzichten oder diese zu verringern.

Mit dem hier vorgeschlagenen Statormodul, dem Stator und der elektrischen Rotationsmaschine werden technische Lösungen zur Verfügung gestellt, in einfacher, bauraumsparender sowie kostengünstiger Weise einen hocheffizienten Betrieb ermöglichen.

Bezuqszeichenliste

1 Spule der ersten Phase

2 Spule der zweiten Phase

3 Spule der dritten Phase

10 Phasentrenner

20 Statorzahn

21 Längsachse des Statorzahns

30 Nut

40 Wicklung

41 erste Windung

42 zweite Windung

43 dritte Windung

44 Phasen-Zuleitung

45 Phasen-Ableitung

46 am Statorzahn anliegende Windung

47 radial innerste Windung

48 radial äußerste Windung

50 Sternpunkt

U Spannung zwischen zwei benachbarten Spulen

Claims

Patentansprüche

1 . Statormodul für eine elektrische Rotationsmaschine , umfassend mehrere Spulen (1 ,2, 3), die mehreren Phasen zugeordnet sind und entlang eines Umfangs angeordnet sind, wobei Spulen (1 ,2, 3) des Statormoduls jeweils eine mehrlagige Wicklung (40) eines Leitermaterials um einen Stator-Zahn (20) gewunden ausbilden, und eine jeweilige Phasen-Zuleitung (44) dieser Spulen (1 ,2, 3) an einer am Statorzahn (20) anliegenden Windung (46) der jeweiligen Spule (1 ,2, 3) realisiert ist.

2. Statormodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an der radial äußersten Windung (48) der Spulen (1 ,2, 3) eine Phasen-Ableitung (45) der jeweiligen Spule realisiert ist.

3. Statormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungsmaterial von Windungen benachbarter Spulen (1 ,2, 3) bereichsweise in einer selben Nut (30) angeordnet sind.

4. Statormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen gleicher Phase parallel an zumindest eine Spannungsquelle angeschlossen sind.

5. Statormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Spule (1 ,2, 3) jeder Phase mit ihrer radial äußersten Windung (48) an den Sternpunkt (50) einer Sternschaltung angeschlossen ist.

6. Statormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (40) eine Isolation aufweisen, die eine Dicke von maximal 40 pm hat.

7. Stator einer elektrischen Rotationsmaschine, wobei der Stator mindestens ein Statormodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.

8. Stator nach Anspruch 7, wobei der Stator als Stator einer Axialflussmaschine ausgestaltet ist und der Axialflussmaschine zwei Statormodule gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst wobei i) zwischen den Statormodulen axial ein Rotor der Axialflussmaschine anordbar ist, oder ii) die beiden Statormodule zu zwei entgegengesetzten axialen Seiten ausgerichtet sind und zwei Rotoren der Axialflussmaschine axial beidseitig des Stators anordbar sind.

9. Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Statormodule Spulen mit jeweils 42 bis 62 Windungen aufweist, die separat an zumindest eine Spannungsquelle angeschlossen sind.

10. Elektrische Rotationsmaschine, umfassend wenigstens ein Statormodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einen Stator gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9.

11 . Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Rotationsmaschine für Betriebsspannungen von 400 V oder mehr ausgelegt ist.