WO2018108279A1 - Stator einer elektrischen maschine, sowie elektrische maschine mit einem solchen stator - Google Patents

Stator einer elektrischen maschine, sowie elektrische maschine mit einem solchen stator Download PDF

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WO2018108279A1
WO2018108279A1 PCT/EP2016/081179 EP2016081179W WO2018108279A1 WO 2018108279 A1 WO2018108279 A1 WO 2018108279A1 EP 2016081179 W EP2016081179 W EP 2016081179W WO 2018108279 A1 WO2018108279 A1 WO 2018108279A1
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stator
groove bottom
electrical machine
inner corner
bottom inner
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PCT/EP2016/081179
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Roland Hagenlocher
Original Assignee
L-3 Communications Magnet-Motor Gmbh
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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
    • H02K1/16—Stator cores with slots for windings
    • H02K1/165—Shape, form or location of the slots
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/34—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation
    • H02K3/345—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation between conductor and core, e.g. slot insulation

Definitions

  • the present invention relates to a stator of an electric machine and an electric machine having a stator according to the invention.
  • thermo-mechanical stresses can arise in the stator. For example, occur in machines whose stator core is shrunk into an aluminum housing, in the cold state not negligible thermo-mechanical stresses u.a. in the laminated core and in particular in the area of the stator slots. These thermomechanical stresses have a negative effect on the durability of the electrical machine.
  • the object of the present invention is to improve the stator of an electrical machine.
  • the stator has a plurality of stator teeth, which are arranged around a circumference of the stator adjacent to an air gap, wherein each two adjacent stator teeth are separated by a respective stator slot.
  • the stator groove has a groove bottom and an edge of an adjacent stator tooth. A transition between the edge of the stator tooth and the groove bottom has an oval-shaped groove bottom inner corner rounding. The groove bottom inner corner rounding runs concavely between the groove bottom and the flank of the stator tooth.
  • the groove bottom inner corner rounding is in particular designed such that thermomechanical stresses in the stator are significantly reduced. This results in a longer durability of the electrical machine.
  • the groove bottom inner corner rounding can additionally improve the stator with regard to its electromagnetic and / or thermal properties.
  • Each groove of the stator is positioned between two adjacent stator teeth.
  • the grooves are formed by a groove bottom and one edge of the two adjacent stator teeth.
  • the groove bottom extends in the direction of rotation of the stator and in the radial direction relative to an upper end of the stator teeth reset.
  • the upper ends of the stator teeth lie in a circumferential surface of the stator adjacent to the air gap, the air gap being measured between this peripheral surface and an opposite circumferential surface of the rotor.
  • the two tooth flanks of a respective stator tooth are usually inclined towards each other in a trapezoidal shape, so that the tooth is narrower in the case of the embodiment of the machine as an inner rotor at the upper end than at the groove bottom.
  • the case of parallel tooth flanks and the design as a stator in the external rotor is also possible.
  • the grooves can be formed in different ways in the stator, preferably by milling, by grinding, by drilling, or by punching.
  • individual stator laminations can be punched out according to the contours of the grooves and then assembled to the stator.
  • the grooves may preferably be formed with a substantially rectangular cross-section. This means that the grooves are formed so that the tooth flanks and the groove bottom are perpendicular to each other.
  • each stator tooth in the transition region between the stator tooth and the groove base may have a corresponding groove bottom inner corner rounding.
  • high thermo-mechanical stresses are concentrated in the rectangular transitions between the groove bottom and the stator tooth flank, which are concentrated in a small area in the rectangular transition. These thermo-mechanical stresses are distributed over a larger area in the groove bottom inner corner curves according to the invention and thus improve the durability of the stator.
  • the concave design of the groove bottom inner corner rounding allows a soft, low-voltage transition from the groove bottom to the flank of the stator tooth.
  • concave design of the groove bottom inner corner rounding are any points on the groove bottom inner corner rounding closer to the groove bottom and / or the edge of the stator tooth as any points of an imaginary line, a starting point of the groove bottom inner corner rounding and an endpoint of the Nutgrund- Internal corner rounding connects, with the starting point on the groove bottom and the end point on the flank of the stator tooth.
  • the groove bottom inner corner rounding can be formed with an inner corner radius.
  • the groove bottom inner corner rounding has a constant radius, thus forming a circular segment in cross section.
  • the oval-shaped groove bottom inner corner rounding allows a further reduction of the thermo-mechanical stresses in the stator, because the thus formed groove bottom inner corner rounding allows a longer curve area than groove bottom inner corner curves with an inner circle radius. In this way, the durability of the stator can be further increased.
  • Oval-shaped defined that the groove bottom inner corner rounding is at least formed of two curves, each of which are circular in shape and have different radii.
  • oval-shaped curves may be elliptical or spline-shaped.
  • the groove bottom inner corner curve thus formed is also concave.
  • a spline-shaped groove bottom inner corner rounding is formed of three or more radii.
  • a spline is a function that is piecewise composed of polynomials of a higher order, in particular a third order.
  • the groove bottom inner corner rounding can in particular have an axial ratio in a range from 1.2: 1 to 1.6: 1, in particular in a range from 1.3: 1 to 1.4: 1, in particular an axial ratio of 1.366: 1 , exhibit. From these axial ratios results in a greater material thickness at the transitions between the groove bottom and the edge of the stator tooth, which also has an advantageous effect on the electromagnetics and the Statorthermik in the electric machine, because a gap between groove bottom inner corner rounding and wire winding is in this way reduced.
  • the axial ratio describes the ratio between a longer catheter of a triangle formed by the groove bottom inner corner, the groove bottom and the Statorbergerflanke right triangle to a shorter catheter of this triangle, the longer catheters usually at the groove base and the shorter catheters usually at the Stator leopardflanke is arranged.
  • the groove bottom inner corner rounding replaces the hypotenuse in this triangle, wherein the groove bottom inner corner rounding is within this triangle and it is concave in the direction of the right angle, ie offset in the direction of the rectangular transition between groove bottom and Stator leopardflanke.
  • At least one stator tooth may be provided with a wire winding. In general, all stator teeth will be wound, either as a single tooth winding (ie each tooth carries its own winding) or as a distributed winding.
  • the stator teeth may have a substantially trapezoidal cross-section. This means that the stator teeth are narrowing towards the air gap (inner rotor).
  • the wire winding may be formed by a winding wire. Frequently, the winding wire is wound on the stator tooth starting from the air gap, especially in trapezoidal stator teeth. A last turn of the winding wire of a first wire layer is positioned at a certain distance from the groove bottom. For coils that have the same number of turns per layer, this particular distance is half the wire thickness. A second layer is then wound onto this first layer, wherein a first turn of the second layer bears against both the groove base and the last turn of the first layer.
  • the winding wire may be formed of copper or other conductive material.
  • the wire winding may be formed as a round wire forming coil.
  • the groove bottom inner corner rounding is particularly well adapted to the geometry of the winding layers.
  • One or more insulating layers can be arranged between the stator tooth and the wire winding.
  • the stator may be formed as a laminated core of a plurality of stacked sheets. In this way, eddy current losses within the stator can be effectively reduced.
  • a stator made of a laminated core can in particular be produced simply by punching the individual sheets and laminating the sheets together.
  • the invention also relates to an electrical machine having a rotor equipped with permanent magnets and a stator according to the invention. This electric machine has a particularly high durability by using the stator according to the invention.
  • the rotor of the electric machine may be provided with permanent magnets, which are arranged opposite to the electromagnetic poles of the stator and separated from each other by the air gap.
  • the electrical machine can be designed as a synchronous machine.
  • the rotor carries permanent magnets, they may be formed as embedded magnets or as surface magnets.
  • the electrical machine can be designed as a reluctance synchronous machine.
  • the electrical machine can be designed as an asynchronous machine.
  • FIG. 1 shows a detail of a cross section through an embodiment of an electric machine with a stator according to the invention.
  • Fig. 2 shows a detail through a part of the stator according to the invention in cross-section, showing a flank of a stator tooth, a groove bottom, a transition between the stator tooth and groove bottom, and two schematically indicated layers of wire turns.
  • Figure 1 shows a section of an electrical machine in cross-section according to an embodiment of the present invention.
  • the detail shows a sector of a stator 100, a sector of a rotor 200 and a see this arranged air gap 300.
  • the electrical machine shown in Figure 1 is designed as an internal rotor. It should be noted that the present invention can also be applied to electrical machines which are designed as external rotor or as disk rotor.
  • the stator is then not arranged radially on the outside as in FIG. 1, but radially inward or axially next to the rotor.
  • the stator 100 has a stator core 102.
  • the stator core 102 includes an annular region forming a stator back 104 from which four stator teeth 110, 111, 112, and 113 extend inwardly.
  • the stator teeth 110 to 113 are trapezoidal in cross-section and spaced from each other by respective stator slots 115, 116 and 117.
  • the stator teeth 110 to 113 may each be surrounded by wire windings, not shown here, which form magnetic coils of a first electromagnet pole, a second electromagnet pole, a third electromagnet pole and a fourth electromagnet pole.
  • the stator teeth 110 to 113 are formed of laminated iron.
  • the stator teeth 110 to 113 may also be formed of one piece of iron.
  • the stator core 102 and the stator teeth 110 to 113 are formed integrally. However, they can also be composed of several components.
  • stator teeth 110 to 113 Statornuten 115, 116 and 117 are approximately rectangular in cross section recesses.
  • the grooves 115, 116 and 117 each have a groove bottom 150, which is formed by the Stator Wegen 104.
  • an edge 140 and 142 of adjacent stator teeth forms a side wall of a stator, which extends from the groove bottom inwards.
  • the stator teeth 110 to 113 are approximately trapezoidal in cross section and thus become narrower in the radial direction to the air gap.
  • the grooves 115, 116 and 117 are just as wide that the wire turns not shown in the groove, not shown, fill the groove width substantially completely. But it is also possible that the wire windings of adjacent stator teeth, the grooves 115, 116 and 117 fill only limited, such as fill in half or three-quarters.
  • the illustrated section of the rotor 200 shows a rotor core 202 in which a plurality of permanent magnets is embedded.
  • four permanent magnets 204, 205, 206 and 207 are seen in their entirety, while a fifth permanent magnet 208 and a sixth permanent magnet 209 are only partially shown.
  • Each pair of permanent magnets forms a rotor pole 210.
  • the rotor poles are arranged in the circumference of the rotor with a rotor pole spacing therebetween.
  • the permanent magnets 204 to 209 are arranged so that the polarity of two adjacent rotor poles alternates.
  • two permanent magnets are arranged in cross-section V-shaped to each other, each two adjacent permanent magnets, which face each other with their radially inner ends and form a tip of the V, form a respective magnetic pole.
  • the mutually facing sides of the two V-legs are magnetically polarized the same, so that there is a concentration of the magnetic flux in the region between the V-legs.
  • the permanent magnets are not V-shaped, but arranged following the curvature of the rotor. Then each permanent magnet forms a rotor pole. Another possibility is to arrange the permanent magnets as surface magnets on a rotor surface.
  • the rotor core 202 is cylindrical in the embodiment of FIG. This cylindrical rotor core 202 may be supported on an axis of the electric machine to which the movement of the rotor core 202 or from which the movement of the rotor core 202 is transmitted.
  • the rotor core 202 is made of ferromagnetic material. Axle and rotor core 202 may be integrally formed.
  • Figure 2 shows a section of a cross section through a portion of the stator 100 according to the invention comprising a stator 110 and a stator 115.
  • Figure 2 shows in particular an edge 140 of the stator tooth 110, a groove bottom 150, a groove bottom inner corner rounding forming transition 160 between the Flank 140 and the groove bottom 150, a first layer 170 of wire turns and a second layer 180 of wire turns.
  • the transition 160 according to the dotted line is a groove bottom inner corner rounding 161 with an inner wire adapted to the wire thickness incl. CKEN radius. This means that the groove bottom inner corner rounding 161 has a constant radius, in particular in the form of a circle segment.
  • the dotted line transition 160 also forms a groove bottom inner corner curve 162 of radius, but a groove bottom inner corner curve 162 having a larger inner corner radius than the groove bottom inner corner curve 161.
  • the transition 160 is provided according to the dash-dot line with a groove bottom inner corner rounding 163, which is formed oval-shaped, in particular elliptical or spline-shaped.
  • oval-shaped is defined such that the groove bottom inner corner curve 163 is formed at least from two curves which are each circular in nature and have different radii. Examples of such curves are elliptical or spline-shaped.
  • a spline-shaped is to be understood that the groove bottom inner corner rounding 163 is composed of three or more radii.
  • a spline is a function that is piecewise composed of polynomials of a higher order, in particular a third order.
  • the groove bottom inner corner curves 161, 162 and 163 allow thermo-mechanical stresses in the transition 160 to be reduced, thus improving the durability of the stator, since the thermo-mechanical stresses do not center at one point, but are on one of the groove bases. Internal corner curves 161 to 163 distributed.
  • the groove bottom inner corner curves 161 to 163 are concave. This means that any points on the groove bottom inner corner curve 161 to 163 are closer to the groove base 150 and / or the flank 140 of the stator tooth 110 than any points of an imaginary straight line that has a starting point, which rests against the groove base 150, and a End point of the groove bottom inner corner rounding 161 to 163, which rests against the stator tooth flank 140 connects to each other.
  • the flank 140 is arranged at a right angle to the groove base 150.
  • the first layer 170 of wire windings which arise from a wire winding around the stator tooth 111, arranged, wherein a last wire turn 171 is spaced from the groove bottom 150.
  • turns are referred to as windings instead of wire turns.
  • the second layer 180 of turns is positioned so that the the layers 170 and 180 are arranged parallel to one another and in each case one turn of the second layer 180 is positioned in a gap formed by two turns of the first layer 170. Only a first turn 181 of the second layer 180 does not abut against two turns of the first layer 170, but on the groove base 150 and on the last turn 71 of the first layer 170.
  • groove bottom internal corner curves 161-163 are particularly advantageous because they allow the thermo-mechanical stresses between groove bottom and stator tooth to be distributed throughout the rounding.
  • the groove bottom inner corner curves 161 and 162 each have an inner corner radius in the form of a circle segment.
  • the groove bottom inner corner rounding 163 has an oval-shaped cross section with an axial ratio in a range of 1.2: 1 to 1.6: 1, in particular in a range of 1.3: 1 to 1, 4: 1, on , Particularly advantageous is an axis ratio of 1.366: 1.
  • the last turn 171 of the first layer 170 is arranged on the stator tooth flank 140 so that it bears against the end point of the groove bottom inner corner curves 162 and 163.
  • the last turn 171 may be spaced from the end point of the groove bottom inner corner curves 162 and 163.
  • the first turn 181 of the second layer 180 is disposed on the groove bottom such that, when the transition 160 is formed as a groove bottom inner corner curve 162, it is spaced from the starting point of the groove bottom inner corner curve 162, and if it Transition 160 is formed as a groove bottom inner corner rounding 163, due to the oval-shaped configuration at the starting point of the groove bottom inner corner rounding 163 is applied.
  • the groove bottom inner corner rounding 163 allows virtually no, but in any case a smaller, free space 164 between the groove bottom inner corner curve 163, the last turn 171 of the first layer 170 and the first turn 181 of the second layer 180 than in a conventional one Stator is formed. This also allows for improved stator thermics and likewise improved electromagnetics of the stator 100.
  • Each stator tooth can be provided separately with a winding wire. In this case, a first turn of the first layer 170 is started on a stator tooth in the vicinity of the air gap 300 and further turns are wound in the direction of the groove base 150.
  • the first turn 181 of the second layer 180 comes to rest between the last turn 171 of the first layer 170 and the groove base 150.
  • the turns of the second layer 180 are now continued from the direction of the groove bottom 150 in the direction of the air gap 300 at the turns of the first layer 170.
  • the wire winding does not take place directly on the stator tooth, but rather that the wire winding is designed as a shaping coil, in particular as a round wire shaping coil.
  • at least one further layer of windings can be wound onto the second layer 180.
  • stator may have permanent magnets and the rotor may have electromagnetic poles.
  • a second set of electromagnet poles can also be provided.
  • the stator can be arranged in the radial direction both outside and inside, from which it follows immediately that the rotor can be arranged both outside and inside with respect to the stator.
  • a rotor / stator combination according to the invention can be operated both as an electric motor and as a generator.
  • a linear motor in which a first motor member provided with a plurality of magnetic members moves linearly relative to a second motor member also provided with a plurality of magnetic members may be configured according to the principles of the present invention. Such embodiments are considered to be equivalent solutions to the above problem.

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Abstract

Stator (100) einer elektrischen Maschine aufweisend eine Mehrzahl von Statorzähnen (110), die um einen an einen Luftspalt angrenzenden Umfang des Stators angeordnet sind, wobei je zwei benachbarte Statorzähne durch eine jeweilige Statornut (115) getrennt sind; wobei die Statornut einen Nutgrund (150) und eine Flanke (140) eines angrenzenden Statorzahns aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang zwischen der Flanke des Statorzahns und dem Nutgrund eine Oval-förmige Nutgrund-Innenecken-Rundung (161, 162, 163) aufweist, wobei die Nutgrund-Innenecken-Rundung sich konkav vom Nutgrund in Richtung der Flanke des Statorzahns erstreckt.

Description

Stator einer elektrischen Maschine, sowie elektrische Maschine mit einem solchen Stator
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Maschine sowie eine elektrische Maschine, die einen erfindungsgemäßen Stator aufweist.
Bei der Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschinen können beträchtliche thermomechanische Spannungen im Stator entstehen. Beispielsweise treten bei Maschinen, deren Statorblechpaket in ein Alugehäuse geschrumpft ist, im kalten Zustand nicht zu vernachlässigende thermomechanische Spannungen u.a. im Blechpaket und dabei insbesondere im Bereich der Statornuten auf. Diese ther- momechanischen Spannungen haben negative Auswirkungen auf die Haltbarkeit der elektrischen Maschine.
Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, den Stator einer elektrischen Maschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen Stator einer elektrischen Maschine mit der in Anspruch 1 gegebenen Merkmalskombination gelöst.
Dabei weist der Stator eine Mehrzahl von Statorzähnen auf, die um einen an einen Luftspalt angrenzenden Umfang des Stators angeordnet sind, wobei je zwei benachbarte Statorzähne durch eine jeweilige Statornut getrennt sind. Die Statornut weist einen Nutgrund und eine Flanke eines angrenzenden Statorzahns auf. Ein Übergang zwischen der Flanke des Statorzahns und dem Nutgrund weist eine Oval-förmige Nutgrund-Innenecken-Rundung auf. Die Nutgrund-Innenecken-Rundung verläuft konkav zwischen dem Nutgrund und der Flanke des Statorzahns.
Die Nutgrund-Innenecken-Rundung ist insbesondere derart ausgebildet, dass thermomechanische Spannungen in dem Stator maßgeblich verringert werden. Daraus resultiert eine längere Haltbarkeit der elektrischen Maschine. Die Nutgrund-Innenecken-Rundung kann zusätzlich noch den Stator hinsichtlich seiner elektromagnetischen und/oder thermischen Eigenschaften verbessern. Jede Nut des Stators ist zwischen zwei benachbarten Statorzähnen positioniert. Die Nuten sind dabei durch einen Nutgrund und jeweils eine Flanke der beiden benachbarten Statorzähne ausgebildet. Der Nutgrund verläuft in Umlaufrichtung des Stators und zwar in radialer Richtung gegenüber einem oberen Ende der Statorzähne zurückgesetzt. Die oberen Enden der Statorzähne liegen in einer an den Luftspalt angrenzenden Umfangsfläche des Stators, wobei der Luftspalt zwischen dieser Umfangsfläche und einer gegenüber liegenden Umfangsfläche des Rotors gemessen wird. Zwischen Nutgrund und jeweiliger angrenzender Zahnflanke ist oft ein rechter Winkel gebildet. Die beiden Zahnflanken eines jeweiligen Statorzahns sind meist trapez-förmig zueinander hin geneigt, so dass der Zahn im Fall der Ausführung der Maschine als Innenläufer am oberen Ende schmaler ist als am Nutgrund. Auch der Fall von parallelen Zahnflanken und die Ausführung als Stator im Außenläufer ist möglich.
Die Nuten können auf unterschiedliche Weise im Stator ausgebildet werden, vorzugsweise durch Fräsen, durch Schleifen, durch Bohren, oder durch Stanzen. Insbesondere können einzelne Statorbleche entsprechend der Konturen der Nuten ausgestanzt werden und dann zum Stator zusammengesetzt werden.
Die Nuten können bevorzugt mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet sein. Das bedeutet, dass die Nuten so ausgebildet sind, dass die Zahnflanken und der Nutgrund rechtwinklig zueinander stehen.
Insbesondere kann jeder Statorzahn im Übergangsbereich zwischen dem Statorzahn und dem Nutgrund eine entsprechende Nutgrund-Innenecken-Rundung aufweisen. Bei einem herkömmlichen Stator entstehen in den rechtwinkligen Übergängen zwischen Nutgrund und Statorzahnflanke hohe thermomechanische Spannungen, die auf einen kleinen Bereich im rechtwinkligen Übergang konzentriert sind. Diese thermomechanischen Spannungen werden bei den erfindungsgemäßen Nutgrund-Innenecken-Rundungen auf eine größere Fläche verteilt und verbessern somit die Haltbarkeit des Stators.
Die konkave Ausbildung der Nutgrund-Innenecken-Rundung ermöglicht einen weichen, spannungsarmen Übergang vom Nutgrund zur Flanke des Statorzahns. Bei konkaver Ausbildung der Nutgrund-Innenecken-Rundung befinden sich beliebige Punkte auf der Nutgrund-Innenecken-Rundung näher am Nutgrund und/oder der Flanke des Statorzahns als beliebige Punkte einer imaginären Geraden, die einen Startpunkt der Nutgrund-Innenecken-Rundung und einen Endpunkt der Nutgrund- Innenecken-Rundung miteinander verbindet, wobei der Startpunkt auf dem Nutgrund und der Endpunkt auf der Flanke des Statorzahns liegt.
Beispielsweise kann die Nutgrund-Innenecken-Rundung mit einem Innenecken- Radius ausgebildet sein. Dabei weist die Nutgrund-Innenecken-Rundung einen gleichbleibenden Radius auf, bildet also im Querschnitt ein Kreissegment.
Die Oval-förmige Nutgrund-Innenecken-Rundung ermöglicht eine weitere Verringerung der thermomechanischen Spannungen in dem Stator, denn die so ausgebildete Nutgrund-Innenecken-Rundung ermöglicht einen längeren Kurvenbereich als Nutgrund-Innenecken-Rundungen mit einem Innenkreis-Radius. Auf diese Weise kann die Haltbarkeit des Stators weiter erhöht werden. Oval-förmig definiert, dass die Nutgrund-Innenecken-Rundung wenigstens aus zwei Kurven gebildet ist, die je für sich kreisförmig sind und unterschiedliche Radien aufweisen. Beispielsweise können Oval-förmige Rundungen ellipsen- oder splineförmig ausgebildet sein. Die so gebildete Nutgrund-Innenecken-Rundung ist ebenfalls konkav. Eine splineförmige Nutgrund-Innenecken-Rundung ist aus drei oder mehr Radien ausgebildet. Ein Spline ist eine Funktion, die stückweise aus Polynomen höherer Ordnung, insbesondere dritter Ordnung, zusammengesetzt ist.
Die Nutgrund-Innenecken-Rundung kann insbesondere ein Achsenverhältnis in einem Bereich von 1 ,2:1 bis 1 ,6:1 , insbesondere in einem Bereich von 1 ,3:1 bis 1 ,4:1 , insbesondere ein Achsenverhältnis von 1,366:1 , aufweisen. Aus diesen Achsenverhältnissen resultiert eine größere Materialdicke an den Übergängen zwischen dem Nutgrund und der Flanke des Statorzahns, die sich auch vorteilhaft auf die Elektromagnetik und die Statorthermik in der elektrischen Maschine auswirkt, denn ein Zwischenraum zwischen Nutgrund-Innenecken-Rundung und Drahtwicklung wird auf diese Weise verringert. Das Achsenverhältnis beschreibt das Verhältnis zwischen einer längeren Kathete eines durch die Nutgrund-Innenecken-Rundung, den Nutgrund und die Statorzahnflanke rechtwinkligen Dreiecks zu einer kürzeren Kathete dieses Dreiecks, wobei die längere Kathete in der Regel am Nutgrund und die kürzere Kathete in der Regel an der Statorzahnflanke angeordnet ist. Die Nutgrund-Innenecken-Rundung ersetzt in diesem Dreieck die Hypotenuse, wobei die Nutgrund-Innenecken-Rundung innerhalb dieses Dreiecks liegt und sie konkav in Richtung des rechten Winkels, also in Richtung zum rechtwinkligen Übergang zwischen Nutgrund und Statorzahnflanke hin versetzt ist. Wenigstens ein Statorzahn kann mit einer Drahtwicklung versehen sein. In der Regel werden alle Statorzähne bewickelt sein, entweder als Einzelzahnwicklung (d.h. jeder Zahn trägt eine eigene Wicklung) oder als verteilte Wicklung.
Die Statorzähne können einen im Wesentlichen trapez-förmigen Querschnitt aufweisen. Dies bedeutet, dass die Statorzähne zum Luftspalt hin schmäler werden (Innenläufer).
Die Drahtwicklung kann durch einen Wickeldraht ausgebildet sein. Häufig wird der Wickeldraht auf den Statorzahn vom Luftspalt beginnend aufgewickelt, insbesondere bei trapez-förmigen Statorzähnen. Eine letzte Windung des Wickeldrahts einer ersten Drahtlage ist in einem bestimmten Abstand zum Nutgrund positioniert. Bei Spulen, die eine gleiche Windungszahl pro Lage aufweisen, beträgt dieser bestimmte Abstand eine halbe Drahtdicke. Auf diese erste Lage wird dann eine zweite Lage gewickelt, wobei eine erste Windung der zweiten Lage sowohl am Nutgrund als auch an der letzten Windung der ersten Lage anliegt. Diese Anordnung der Wicklungslagen in Kombination mit der erfindungsgemäßen Nutgrund-Innenecken-Rundung ermöglicht es, dass die Rundung an die Wicklung angepasst ist, so dass zwischen der Nutgrund-Innenecken-Rundung und den Wicklungslagen praktisch gar kein, aber jedenfalls ein kleinerer Freiraum als bei einem herkömmlichen Stator ausgebildet ist. Dadurch erhält der Stator auch eine verbesserte Statorthermik und eine ebenfalls verbesserte Elektromagnetik.
Der Wickeldraht kann aus Kupfer oder einem anderen leitfähigen Material ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform kann die Drahtwicklung als Runddraht-Formspule ausgebildet sein. Die Nutgrund-Innenecken-Rundung ist besonders gut an die Geometrie der Wicklungslagen angepasst.
Zwischen dem Statorzahn und der Drahtwicklung können eine oder mehrere Isolierlagen angeordnet sein.
Der Stator kann als ein Blechpaket aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten Blechen ausgebildet sein. Auf diese Weise können Wirbelstromverluste innerhalb des Stators wirksam verringert werden. Ein Stator aus einem Blechpaket kann insbesondere durch Stanzen der einzelnen Bleche und flächiges Zusammenfügen der Bleche einfach hergestellt werden. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine elektrische Maschine, die einen mit Permanentmagneten bestückten Rotor und einen erfindungsgemäßen Stator aufweist. Diese elektrische Maschine weist durch das Verwenden des erfindungsgemäßen Stators eine besonders hohe Haltbarkeit auf.
Die oben mit Bezug auf den Stator angegebenen Vorteile und Ausführungsformen treffen in gleicher Weise auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine zu. Diese werden, um Wiederholungen zu vermeiden, nicht noch einmal aufgeführt.
Der Rotor der elektrischen Maschine kann mit Permanentmagneten versehen sein, die gegenüber den Elektromagnetpolen des Stators angeordnet und durch den Luftspalt voneinander getrennt sind.
Die elektrische Maschine kann als Synchronmaschine ausgebildet sein. Soweit der Rotor Permanentmagnete trägt, können diese als eingebettete Magneten oder als Oberflächen-Magneten ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann die elektrische Maschine als Reluktanz- Synchronmaschine ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann die elektrische Maschine als Asynchronmaschine ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Ausschnitt eines Querschnitts durch eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem erfindungsgemäßen Stator; und
Fig. 2 einen Ausschnitt durch einen Teil des erfindungsgemäßen Stators im Querschnitt, der eine Flanke eines Statorzahns, einen Nutgrund, einen Übergang zwischen Statorzahn und Nutgrund, und zwei schematisch angedeutete Lagen von Drahtwindungen zeigt.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt der Ausschnitt einen Sektor eines Stators 100, einen Sektor eines Rotors 200 und einen zwi- sehen diesen angeordneten Luftspalt 300. Die in Figur 1 gezeigte elektrische Maschine ist als Innenläufer ausgebildet. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch bei elektrischen Maschinen Anwendung finden kann, die als Außenläufer oder als Scheibenläufer ausgebildet sind. Der Stator ist dann nicht radial außen angeordnet wie in Figur 1, sondern radial innen oder axial neben dem Läufer.
Der Stator 100 weist einen Statorkern 102 auf. Der Statorkern 102 umfasst einen ringförmigen Bereich der einen Statorrücken 104 bildet, von dem sich vier Statorzähne 110, 111 , 112 und 113 nach innen weg erstrecken. Die Statorzähne 110 bis 113 sind im Querschnitt trapezförmig und jeweils voneinander durch jeweilige Statornuten 115, 116 und 117 beabstandet. Die Statorzähne 110 bis 113 können jeweils von hier nicht gezeigten Drahtwicklungen umgeben sein, die Magnetspulen eines ersten Elektromagnetpols, eines zweiten Elektromagnetpols, eines dritten Elektromagnetpols und eines vierten Elektromagnetpols bilden. In der beispielhaften Ausführungsform von Figur 1 sind die Statorzähne 110 bis 113 aus geblechtem Eisen ausgebildet. Die Statorzähne 110 bis 113 können jedoch auch aus einem Stück Eisen ausgebildet sein. Der Statorkern 102 und die Statorzähne 110 bis 113 sind einstückig ausgebildet. Sie können jedoch auch aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt sein.
Die zwischen den Statorzähnen 110 bis 113 vorgesehenen Statornuten 115, 116 und 117 sind im Querschnitt näherungsweise rechteckige Ausnehmungen. Die Nuten 115, 116 und 117 weisen jeweils einen Nutgrund 150 auf, der durch den Statorrücken 104 gebildet ist. Jeweils eine Flanke 140 und 142 von benachbarten Statorzähnen bildet eine Seitenwand einer Statornut, die sich vom Nutgrund aus nach innen erstreckt. Die Statorzähne 110 bis 113 sind im Querschnitt näherungsweise trapez-förmig ausgebildet und werden somit schmäler in radialer Richtung zum Luftspalt.
Die Nuten 115, 116 und 117 sind genau so breit, dass die in der Nut zu liegen kommenden, nicht gezeigten Drahtwindungen die Nutbreite im Wesentlichen vollständig ausfüllen. Es ist aber auch möglich, dass die Drahtwicklungen von benachbarten Statorzähnen die Nuten 115, 116 und 117 nur begrenzt ausfüllen, wie zum Beispiel zur Hälfte oder zu drei-viertel ausfüllen.
Der gezeigte Ausschnitt des Rotors 200 zeigt einen Rotorkern 202, in dem eine Mehrzahl von Permanentmagneten eingebettet ist. In dem gezeigten Ausschnitt sind vier Permanentmagnete 204, 205, 206 und 207 in ihrer Gänze zu sehen, während ein fünfter Permanentmagnet 208 und ein sechster Permanentmagnet 209 nur teilweise dargestellt sind. Je ein Paar von Permanentmagneten bilden einen Rotorpol 210. Die Rotorpole sind in dem Umfang des Rotors mit einem Rotorpolabstand zwischen sich angeordnet. Die Permanentmagnete 204 bis 209 sind so angeordnet, dass sich die Polung zweier benachbarter Rotorpole abwechselt. In diesem Ausführungsbeispiel sind je zwei Permanentmagnete im Querschnitt V- förmig zueinander angeordnet, wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete, die mit ihren radial inneren Enden einander zugewandt sind und eine Spitze des V bilden, einen jeweiligen Magnetpol bilden. Die einander zugewandten Seiten der beiden V-Schenkel sind magnetisch gleich polarisiert, so dass sich eine Konzentration des magnetischen Flusses im Bereich zwischen den V-Schenkeln ergibt. In alternativen Ausführungsformen sind die Permanentmagnete nicht V-förmig, sondern der Krümmung des Rotors folgend angeordnet. Dann bildet jeder Permanentmagnet einen Rotorpol. Eine weitere Möglichkeit ist es, die Permanentmagnete als Oberflächen-Magnete auf einer Rotormantelfläche anzuordnen.
Der Rotorkem 202 ist in dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 zylindrisch ausgebildet. Dieser zylindrische Rotorkern 202 kann an einer Achse der elektrischen Maschine gelagert sein, auf die die Bewegung des Rotorkerns 202 oder von der die Bewegung des Rotorkerns 202 übertragen wird. Der Rotorkern 202 besteht aus ferromagnetischem Material. Achse und Rotorkern 202 können einstückig ausgebildet sein.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts durch einen Teil des erfindungsgemäßen Stators 100 aufweisend einen Statorzahn 110 und eine Statornut 115. Figur 2 zeigt insbesondere eine Flanke 140 des Statorzahns 110, einen Nutgrund 150, einen eine Nutgrund-Innenecken-Rundung bildenden Übergang 160 zwischen der Flanke 140 und dem Nutgrund 150, eine erste Lage 170 von Drahtwindungen und eine zweite Lage 180 von Drahtwindungen.
In der Figur 2 ist durch drei, in unterschiedlicher Form dargestellte Linien beim Übergang 160 verdeutlicht, dass der Übergang 160 verschiedene Ausführungen mit jeweils unterschiedlicher Nutgrund-Innenecken-Rundung bilden kann.
Der Übergang 160 gemäß der gepunkteten Linie ist eine Nutgrund-Innenecken- Rundung 161 mit einem an der Drahtdicke incl. Isolierlagen angepassten Innene- cken-Radius. Dies bedeutet, dass die Nutgrund-Innenecken-Rundung 161 einen gleichbleibenden Radius, insbesondere in Form eines Kreissegments, aufweist.
Der Übergang 160 gemäß der gestrichelten Linie bildet ebenfalls eine Nutgrund- Innenecken-Rundung 162 mit einem Radius aus, allerdings eine Nutgrund-Innenecken-Rundung 162, die einen größeren Innenecken-Radius aufweist als die Nutgrund-Innenecken-Rundung 161.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Übergang 160 gemäß der Strich- Punkt-Linie mit einer Nutgrund-Innenecken-Rundung 163 versehen, die Oval-för- mig, insbesondere Ellipsen- oder Spline-förmig ausgebildet ist. Der Begriff Oval- förmig ist so definiert, dass die Nutgrund-Innenecken-Rundung 163 wenigstens aus zwei Kurven gebildet ist, die je für sich kreisförmig sind und unterschiedliche Radien aufweisen. Beispiele für derartige Rundungen sind Ellipsen- oder Spline- förmig ausgebildet. Als Spline-förmig ist zu verstehen, dass die Nutgrund-Innenecken-Rundung 163 aus drei oder mehr Radien zusammengesetzt ist. Ein Spline ist eine Funktion, die stückweise aus Polynomen höherer Ordnung, insbesondere dritter Ordnung, zusammengesetzt ist.
Die Nutgrund-Innenecken-Rundungen 161, 162 und 163 ermöglichen es, dass thermomechanische Spannungen in dem Übergang 160 verringert werden und so die Haltbarkeit des Stators verbessert wird, denn die thermomechanischen Spannungen zentrieren sich nicht in einem Punkt, sondern sind auf einer der Nutgrund- Innenecken-Rundungen 161 bis 163 verteilt.
Die Nutgrund-Innenecken-Rundungen 161 bis 163 sind konkav ausgebildet. Dies bedeutet, dass sich beliebige Punkte auf der Nutgrund-Innenecken-Rundung 161 bis 163 näher am Nutgrund 150 und/oder der Flanke 140 des Statorzahns 110 befinden als beliebige Punkte einer imaginären Geraden, die einen Startpunkt, der am Nutgrund 150 anliegt, und einen Endpunkt der Nutgrund-Innenecken-Rundung 161 bis 163, der an der Statorzahnflanke 140 anliegt, miteinander verbindet.
Die Flanke 140 ist in einem rechten Winkel zum Nutgrund 150 angeordnet. An der Flanke 140 ist die erste Lage 170 von Drahtwindungen, die aus einer Drahtwicklung um den Statorzahn 111 entstehen, angeordnet, wobei eine letzte Drahtwindung 171 vom Nutgrund 150 beabstandet ist. Zur Vereinfachung wird im weiteren Verlauf von Windungen anstatt von Drahtwindungen gesprochen. Auf dieser ersten Lage 170 ist die zweite Lage 180 von Windungen so positioniert, dass die bei- den Lagen 170 und 180 parallel zueinander angeordnet sind und jeweils eine Windung der zweiten Lage 180 in einem von jeweils zwei Windungen der ersten Lage 170 gebildeten Zwischenraum positioniert ist. Lediglich eine erste Windung 181 der zweiten Lage 180 liegt nicht an zwei Windungen der ersten Lage 170 an, sondern am Nutgrund 150 und an der letzten Windung 71 der ersten Lage 170.
Um die thermomechanischen Spannungen im Übergang 160 auf ein Minimum zu verringern haben die Erfinder herausgefunden, dass Nutgrund-Innenecken-Rundungen 161 bis 163 besonders vorteilhaft sind, denn sie ermöglichen eine Verteilung der thermomechanischen Spannungen zwischen Nutgrund und Statorzahn- fianke auf die gesamte Rundung. Dabei weisen die Nutgrund-Innenecken-Rundungen 161 und 162 jeweils einen Innenecken-Radius in Form eines Kreissegments auf. Die Nutgrund-Innenecken-Rundung 163 weist einen Oval-förmigen Querschnitt mit einem Achsenverhältnis in einem Bereich von 1,2:1 bis 1,6:1 , insbesondere in einem Bereich von 1,3:1 bis 1 ,4:1 , auf. Als besonders vorteilhaft erweist sich ein Achsenverhältnis von 1,366:1.
Die letzte Windung 171 der ersten Lage 170 ist so an der Statorzahnflanke 140 angeordnet, dass sie am Endpunkt der Nutgrund-Innenecken-Rundungen 162 und 163 anliegt. In einer weiteren Ausführungsform kann die letzte Windung 171 von dem Endpunkt der Nutgrund-Innenecken-Rundungen 162 und 163 beabstandet angeordnet sein.
Die erste Windung 181 der zweiten Lage 180 ist so am Nutgrund angeordnet, dass sie, wenn der Übergang 160 als Nutgrund-Innenecken-Rundung 162 ausgebildet ist, von dem Startpunkt der Nutgrund-Innenecken-Rundung 162 beabstandet ist, und dass sie, wenn der Übergang 160 als Nutgrund-Innenecken-Rundung 163 ausgebildet ist, aufgrund der Oval-förmigen Ausbildung am Startpunkt der Nutgrund-Innenecken-Rundung 163 anliegt.
Die Nutgrund-Innenecken-Rundung 163 ermöglicht, dass zwischen der Nutgrund- Innenecken-Rundung 163, der letzten Windung 171 der ersten Lage 170 und der ersten Windung 181 der zweiten Lage 180 praktisch gar kein, aber jedenfalls ein kleinerer Freiraum 164 als bei einem herkömmlichen Stator ausgebildet ist. Dies ermöglicht auch eine verbesserte Statorthermik und eine ebenfalls verbesserte Elektromagnetik des Stators 100. Jeder Statorzahn kann separat mit einem Wickeldraht versehen werden. Dabei wird mit einer ersten Windung der ersten Lage 170 an einem Statorzahn in der Nähe des Luftspalts 300 begonnen und weitere Windungen in Richtung des Nutgrunds 150 hin gewickelt. Sobald die letzte Windung 171 der ersten Lage 170 gewickelt wurde, kommt die erste Windung 181 der zweiten Lage 180 zwischen der letzten Windung 171 der ersten Lage 170 und dem Nutgrund 150 zum Liegen. Dabei werden die Windungen der zweiten Lage 180 nun aus Richtung des Nutgrunds 150 in Richtung des Luftspalts 300 an den Windungen der ersten Lage 170 fortgesetzt. Es ist genauso möglich, dass die Drahtwicklung nicht direkt am Statorzahn erfolgt, sondern dass die Drahtwicklung als Formspule, insbesondere als Runddraht-Formspule, ausgebildet ist. Ferner ist es möglich, dass wenigstens eine weitere Lage an Windungen auf die zweite Lage 180 aufgewickelt werden kann.
Es wird ausdrücklich betont, dass bei den Ausführungsformen die Rollen von Stator und Rotor vertauscht sein können. So kann der Stator über Permanentmagnete verfügen, und der Rotor Elektromagnetpole aufweisen. Anstatt Permanentmagneten kann auch ein zweiter Satz von Elektromagnetpolen vorgesehen sein. Dann gilt die hier beschriebene Ausbildung von Nuten natürlich auch für den Rotor. Der Stator kann in Radialrichtung sowohl außen als auch innen angeordnet sein, woraus sich sofort ergibt, dass auch der Rotor sowohl außen als auch innen bezüglich des Stators angeordnet sein kann. Eine erfindungsgemäße Rotor/Stator-Kombination kann sowohl als Elektromotor als auch als Generator betrieben werden. Auch ein Linearmotor, bei dem sich ein erstes, mit einer Mehrzahl von Magnetelementen versehenes Motorelement relativ zu einem zweiten, ebenfalls mit einer Mehrzahl von Magnetelementen versehenen Motorelement linear bewegt, kann nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sein. Derartige Ausführungsformen werden als äquivalente Lösungen des oben genannten Problems angesehen.

Claims

Patentansprüche
1. Stator (100) einer elektrischen Maschine aufweisend:
eine Mehrzahl von Statorzähnen (110,111 ,112,113), die um einen an einen Luftspalt (300) angrenzenden Umfang des Stators (100) angeordnet sind, wobei je zwei benachbarte Statorzähne (110,111) durch eine jeweilige Statornut (115) getrennt sind;
wobei die Statornut (115) einen Nutgrund (150) und eine Flanke (140) eines angrenzenden Statorzahns (110) aufweist;
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Übergang (160) zwischen der Flanke (140) des Statorzahns (110) und dem Nutgrund (150) eine Oval-förmige Nutgrund-Innenecken-Rundung (161 ,162,163) aufweist;
wobei die Nutgrund-Innenecken-Rundung (161 , 162, 163) sich konkav vom Nutgrund (150) in Richtung der Flanke (140) des Statorzahns (110) erstreckt.
2. Stator (100) nach Anspruch 1 , wobei die Nutgrund-Innenecken-Rundung (163) ein Achsenverhältnis in einem Bereich von 1,2:1 bis 1,6:1 , insbesondere in einem Bereich von 1 ,3:1 bis 1,4:1 , insbesondere ein Achsenverhältnis von 1 ,366:1 , aufweist.
3. Stator (100) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei wenigstens ein Statorzahn (110,111 ,112,113) der Mehrzahl von Statorzähnen eine Drahtwicklung aufweist.
4. Stator (100) nach Anspruch 3, wobei die Drahtwicklung als Runddraht- Formspule ausgebildet ist.
5. Stator (100) nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei zwischen dem Statorzahn (110) und der Drahtwicklung eine Isolierlage angeordnet ist.
6. Stator (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Stator (100) als Blechpaket aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten Blechen ausgebildet ist.
7. Stator (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Stator (100) einen Statorkern (102) aufweist.
8. Elektrische Maschine, aufweisend:
einen Rotor (200), und
einen Stator (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei der Rotor (200) mit Permanentmagneten bestückt ist.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, wobei die elektrische Maschine als Synchronmaschine mit eingebetteten Magneten ausgebildet ist.
11. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, wobei die elektrische Maschine als Synchronmaschine mit Oberflächen-Magneten ausgebildet ist.
12. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei die elektrische Maschine als Reluktanz-Synchronmaschine ausgebildet ist.
13. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei die elektrische Maschine als Asynchronmaschine ausgebildet ist.
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