WO2019227115A1 - Stator mit isolationsschicht - Google Patents

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WO2019227115A1
WO2019227115A1 PCT/AT2019/060177 AT2019060177W WO2019227115A1 WO 2019227115 A1 WO2019227115 A1 WO 2019227115A1 AT 2019060177 W AT2019060177 W AT 2019060177W WO 2019227115 A1 WO2019227115 A1 WO 2019227115A1
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electrical
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Andreas EILENBERGER
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Miba Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a stator for an electrical machine, wherein the electrical Lei ter are coated with an insulating layer in the circumferential and radial directions such that a particularly high packing density of the electrical conductors is made possible.
  • An electrical machine may preferably also comprise egg nen rotor, which may be arranged rotationally fixed, for example on a rotatable shaft.
  • an electric machine is offset due to the generated magnetic fields of the rotor in a rotary motion.
  • the stator can in principle also be used without a rotor for generating a rotating field.
  • Stators for electric electric motors comprise electric coils which are designed in the form of Wick around an electrically and magnetically conductive core and at current flow of the coils in the stator generate a magnetic field which is required to drive the electric motor.
  • These windings may e.g. be generated by that U-shaped curved conductor elements or rod-shaped conductor elements are inserted into the stator and the intended conductor elements are connected to form windings.
  • the sometimes quite high electrical voltage applied to the individual electrical conductors during operation can lead to the formation of an electrical contact between the conductors and / o to the laminated core. To avoid this, it is necessary the electrical conductor ge against each other, and to isolate the laminated core, as known in the art.
  • the relevant standards, such as EN 60664-1 prescribe the formation of a two-layer insulation layer, or at least an absolutely faultless insulation layer.
  • EP3043355A1 Another way to achieve sufficient isolation is disclosed in EP3043355A1.
  • electrical conductors are described with a multi-layer insulating layer, which have a urethane-containing, thermosetting, paint as an adhesive layer to a submit different thermoplastic material.
  • the lacquer layer must be cured before further processing in an oven before the second layer or top layer can be applied, which is associated with increased processing costs.
  • US2015243410A1 leads to the problem that an insulating layer on electrical conductors made of several thermosetting lacquer layers with increasing number of lacquer layers leads to reduced adhesion between the individual lacquer layers and also blistering preferably occurs. It is proposed to build an insulation layer of a multilayer layer, wherein the outermost layer of a thermoplastic material be available and to connect by means of a thermosetting lacquer layer with the electrical conductor. Here, however, curing of the basecoat layer is also required, which is associated with a ho hen process cost. In the production of compact yet powerful stators electrical Ma chine, the performance and the efficiency may depend strongly on the materials used Insati on and the number of windings or the packing density of the electric Lei ter.
  • Object of the present invention was to overcomes the disadvantages of the prior art and to provide a stator available, which has a sufficiently good insulation between the electrical conductors, as well as the laminated core with a particularly high filling factor of electrical conductors in the space provided Grooves of the laminated core combined.
  • the stator according to the invention for an electric machine in this case comprises a laminated core with a plurality of evenly distributed in a circumferential direction and about a longitudinal axis, and in a longitudinal direction of the laminated core extending continuously grooves, which provided for receiving at least two electrical conductors with substantially rectangular cross-section are.
  • the electrical conductors are in this case from one another and with respect to the laminated core by means of at least one insulating layer in the radial direction and circumferentially sheathing, and in the longitudinal direction at least over a stator height of the stator isolated.
  • the at least one insulating layer for error-free insulation comprises a circumferential direction in the circumferential direction and radially closed continuously and preferably molded by means of an extrusion process directly on the electrical conductor, thermoplastic high performance polymer.
  • the insulation layer has, at least in the circumferential direction, a total circumferential layer thickness which has at least 1.5 times to 3 times, preferably 1.8 times to 2.2 times, a total radial layer thickness in the radial direction of the respective electrical conductor.
  • Such a continuously formed insulating layer of a thermoplastic high performance polymer can already meet the required insulation properties as a single-layer.
  • the direct Anformung on the electrical conductor can by a direct order, for example, a rolling process, a casting process or preferably by means of extrusion process he follow. In this way, both a sufficiently good adhesion on the, in the Re- gel made of copper, electrical conductors realize.
  • Extruded Hoch inspo polymer often have characteristic surface structures, which are naturally recognizable in the extrusion direction as a kind of "extrusion molding" and thus clearly distinguishable from a conventionally applied paint layer.
  • Such sheathed electrical conductors are relatively quickly, comfortably and safely inserted into the laminated core, since no additional insulation element or grooved paper between the conductors and the laminated core must be provided. It has surprisingly been found that the insulation between the electrical conductors, ie in the radial direction, can be selected to be comparatively slim if the total circumferential layer thickness in the specified ratio exceeds the radial total layer thickness. Due to the different layer thickness distribution in the circumferential direction and radial direction of each electrical conductor, so can be increased in a relatively simple manner, the packing density of the conductors in the groove.
  • the total circumferential layer thickness and the total radial layer thickness dependent thereon can be defined in advance by the person skilled in the art in consideration of the maximum operating voltage U op to be applied.
  • the at least one insulation layer has a total circumferential layer thickness t, which can be calculated with the following formula:
  • the total circumferential layer thickness is thus dependent on a predefinable maximum operating voltage U op , and can by the mathematical result of the sum of a correction factor d of the size -175 mm and the product of a safety factor S of size 2.00 with a pre-factor k of size 0.25 mm / V with a tolerance factor C toi in the range of 0.90 to 1.20 and the predetermined maximum operating voltage U op in the range of 400 V to 1400 V, are calculated.
  • the tolerance factor C toi has the size 1, but due to material-related tolerances can assume a tolerance factor C toi of 0.9 to 1.2. In this way it can be ensured that the total circumferential layer thickness in the circumferential direction has sufficient insulation to the laminated core and the Automatradial Anlagendicke has a sufficient isolation between the electrical conductors.
  • At least two, preferably four or more, electrical conductors by means of an additional in the radial direction and the circumferential direction, the at least two electrical rule ladder together sheathing supporting layer are connected.
  • This measure allows a plurality of electrical conductors to be connected to one another in a non-conductive manner in a simple manner.
  • the insertion into the respectively provided grooves of the stator is significantly facilitated and can preferably be carried out automatically.
  • any damage, such as scratching, the iso lations Mrs can be avoided during insertion of the resulting conductor package.
  • the at least two, preferably four or more, electrical conductors are encased together by the common support layer and preferably already have the local total circumferential layer thicknesses or radial circumferential layer thicknesses prior to the application of the support layer.
  • the ratio of the total circumferential layer thickness to the radial peripheral layer thickness of a respec conditions conductor can also be achieved by the support layer.
  • the individual electrical conductors can have relatively thin or thin insulation layers in the radial direction to one another or in the circumferential direction, which can prevent damage to a subsequent bending operation of the conductor ends outside the stator.
  • the support layer is primarily intended only within the conductor package To serve as a common sheath of the electrical conductors and thus limited in the longitudinal direction substantially to the height of the stator or the grooves.
  • the total radial layer thickness of the device in Radialrich at a groove bottom and / or at an air gap and / or the tooth tip of the respective groove disposed adjacent electrical conductor in the radial direction of the groove bottom or the tooth tip and / or the air gap Side is at least 1.5 times to 3 times, preferably 1.8 times to 2.2 times, the total radial layer thickness of an adjacent thereto in the radial direction arranged electrical conductor, preferably 200 to 500 pm having.
  • This embodiment allows those in the radial direction adjacently arranged electrical conductor Kings have a relatively thin insulating layer to each other nen and only in the radial direction "innermost” and / or “extremely” arranged electrical rule ladder a kind of additional insulation by the increased Monradial harshdicke have the respective electrical conductor.
  • This may be particularly advantageous with more than four electrical conductors, such as six or eight, since the copper fill factor in the groove can be increased and the isolation layer only at the regions in the radial direction to the tooth tip and / or the air gap and / or the groove bottom of the respective groove is additionally thickened out forms.
  • This measure can also serve to exert a tension of the electrical conductors, by the increased Intelradial Anlagenricke in the radial direction of the outside and / or in nenunder electrical conductors on the conductor package. This favors the operational safety and can vibration, or even problems of the fatigue strength of the insulation layer, during use Prevention.
  • the insulating layer comprises a first base layer formed directly on the electrical conductor with a base layer thickness and a second top layer having a top layer thickness formed directly on the first base layer, preferably by means of an extrusion process ,
  • the relative top layer or base layer thicknesses can be optimized by the person skilled in the art within the abovementioned ratios of the total radial layer thickness and / or total circumferential layer thickness. This concept is also mutatis mutandis on three or more layers of insulation transferable.
  • the advantage of at least two layers formed insulation layer, which was formed directly on the electrical conductor, is primarily in that any manufacturing defects of the base layer can be closed or "cured" by the second top layer.
  • the Anformung a high-performance polymer by means of an extrusion process has proven to be particularly advantageous before because the probability of the formation of defects of the high-performance polymer at the same point in the circumferential or radial direction along the electrical rule conductor is negligible. This favors the manufacturing costs and operational safety and can also significantly reduce the cost of a costly test for accuracy against a single layer insulation layer.
  • An additional part before the at least two-layer insulation layer may consist in an improved crack resistance against a single-layer insulation layer.
  • the top layer thickness at least in the circumferential direction at least l, 5-fold to 3-fold, preferably l.8 times to 2.2 times the underlying base layer thickness, which base layer thickness preferably in the range of 10 to 200 pm.
  • a substantially uniform and thin base layer can be directly formed on all electrical conductors in the production of the insulation layer and the locally required Alterradi- and / orPolaris Mrsdicken be set only with the application of the top layer.
  • This offers some process engineering advantages and allows, inter alia, a rapid and cost-effective application of the insulation layer. It has been found that a very thin base layer of e.g. 200 to 200 pm depending on the application is sufficient and any defects or Albertstel len the base layer can be efficiently cured by means of the top layer and at the same time the local insulation properties can be met.
  • At least one parallel conductor comprises two, provided for applying the same electrical potential difference between potential provided conductor, wherein the two corresponding sub-conductors are respectively sheathed by the base layer and are sheathed together by the top layer.
  • the formation of an electrical conductor as two parallel sub-conductors can be referred to as "pin-parallelization" and cause a reduction of current displacement effects.
  • the sub-conductors are each advantageously separated from each other by a very thin insulating layer, which is sufficiently out in the present case by the base layer.
  • the above-mentioned insulating layer can be asbil det such that the copper fill factor in the stator can be significantly increased over a single layer formed from insulating layer.
  • the base layer is designed to be substantially uniformly enveloping the respective subconductor in circumferential and radial directions, since the arrangement and cladding can be set relatively easily by the top layer on the respective parallel conductor.
  • Such an arrangement of the partial and parallel conductors also increases the handling can fulfill an additional Liche support function of the electrical conductors within the groove of the stator.
  • the base layer thickness in the radial direction on the side facing away from the corresponding sub-conductor in the radial direction and / or circumferential direction has a base layer thickness of at least 5 times to 15 times, preferably 10 times to 12, 5 times, more preferably from 100 to 300 pm, the base layer thickness between tween the corresponding sub-conductors.
  • the at least one insulation layer and / or the top layer and / or the support layer may have at least one side, preferably U- or I-shaped extension in the radial direction to form at least one cooling channel extending in the longitudinal direction of the stator.
  • Such an extension or several extensions can space the electrical conductors relative to the groove base and / or the tooth tip and / or the air gap in a relatively simple manner.
  • Such extensions may advantageously be formed during the formation of the insulating layer on the electrical conductor by e.g. Extrusion of the high-performance polymer to be formed directly.
  • the extensions take on the one hand a supporting function against the laminated core.
  • the remaining cavities between tween the adjacently arranged electrical conductor and the laminated core can be used as a cooling channel, which forms in the longitudinal direction along the laminated core.
  • these cavities can be used for introducing a impregnating or impregnating resin. In this way, can be dispensed with the introduction addi cher cher, the prior art, elements for the formation of cooling channels, which can reduce the manufacturing cost and the effort in assembling the Sta tor.
  • additional electrically insulating bar rieretik preferably selected from the group polyimide (PI), polyamide imide (PAI), Po lyacryletherketon (PAEK), polyphenylene sulfone (PPSU), polyetheretherketone (PEEK), is arranged is.
  • PI polyimide
  • PAI polyamide imide
  • PAEK Po lyacryletherketon
  • PPSU polyphenylene sulfone
  • PEEK polyetheretherketone
  • This measure can be used to ensure the required isolation properties in the radial direction relative to the laminated core in a relatively simple manner. It is advantageous in this case that no electrical conductors provided with mutually different total radial layer thicknesses are provided especially for a respective position in the groove. must be. This brings manufacturing advantages with it, since all electrical rule ladder can be made in the same way. It may therefore be sufficient if all conductors have a predetermined total circumferential layer thickness, which exceeds the Ge felradial harshdicke of the electrical conductor in the aforementioned ratio.
  • the barrier layer can be glued, poured, sprayed on and thus also directly molded on the "innermost” and / or “outermost” electrical conductors.
  • polymers with sufficient temperature stability and electrical insulation properties have proven to be particularly advantageous. These polymers also have the advantage of good processability, such as extrusion and / or weldability, and may also be formed by high performance polymers.
  • a combination of the barrier layer with the aforementioned Lort arrangementsn is possible as a one-piece element.
  • this makes it possible to realize a very simple manufacture of the sets of latches as part of the barrier layer and, on the other hand, the advantage can be utilized that all electrical conductors can be formed with an insulating layer of a similar kind.
  • the at least one insulating layer has an adhesive strength of more than 35 g / mm, preferably more than 45 g / mm, according to DIN EN ISO 527-1: 2012-06 or VDI 2019: 2016-04 am electrical conductor has on.
  • the at least one insulation layer and / or the base layer and / or the top layer and / or the support layer and / or the barrier layer of a thermoplastic, preferably substantially solvent-free, high-performance polymer, preferably from the group polyacryletherketone ( PAEK), polyphenylene sulfone (PPSU), polyetheretherketone (PEEK).
  • PAEK polyacryletherketone
  • PPSU polyphenylene sulfone
  • PEEK polyetheretherketone
  • High-performance polymers have the advantage that they are particularly well suited for direct molding on a rectangular electrical conductor, in particular copper or copper alloy.
  • said high-performance polymers have a high electrical breakdown strength or insulation properties in combination with a relatively high temperature resistance of more than 300 ° C.
  • the said high performance thermoplastic polymers may also be extruded and / or welded and molded directly onto each other. It is possible that the high-performance polymers of the individual layer layers used differ from one another when the at least one insulation layer is formed.
  • it has proven particularly advantageous to use such high performance polymers as e.g. Base and top layer and / or support layer or barrier layer can be used, since in this case a good chemical and mechanical information and / or connection to each other is made possible.
  • the complexity of the production process can be significantly reduced since, for example, only one starting material has to be provided.
  • the at least one insulation layer and / or the possible base layer and / or the possible top layer and / or the support layer and / or the barrier layer comprises a thermoplastic polymer, preferably a high-performance polymer, with a crystalline content of at least 10%, preferably 20%, to about 50%.
  • the structural integrity of the at least one insulation layer can be ensured over a wide temperature range in the application.
  • it permits the use of semi-crystalline polymers, in particular high-performance polymers, good formability and high mechanical stability, which can be of considerable practical importance in the deformation of the electrical conductors before and / or after insertion into the laminated core / or Defects of the insulation layer vorzu bow.
  • Fig. 1 oblique view of an exemplary stator with partially filled with electrical conductors grooves
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional representation of possible embodiments of
  • Figure 3 shows a schematic cross-sectional view through a groove with a conductor package and electrical conductors with a two-layer insulation layer and a Lei terb surrounding support layer.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view through a groove with a conductor package and electrical conductors with a two-layer insulation layer and U-shaped (a), or I-shaped (b) extensions, or a barrier layer (c) on the groove base and / or stator tooth;
  • Fig. 5 schematic Dart ein the minimum required Aerobics Mrsdi bridge in dependence of the maximum operating voltage of the stator.
  • a stator 1 is shown schematically in an oblique view.
  • the stator 1 comprises a laminated core 2 in which a plurality of grooves 4 are arranged distributed in the circumferential direction 10.
  • the grooves 4 are formed continuously in the longitudinal direction 11.
  • a plurality of electrical conductors 8 are shown prior to their connection to an electrical winding. Analogously, it can be seen by way of example from FIG. 1 that a plurality of electrical conductors 8 can be bent to form a coil in the circumferential direction 10 and electrical conductors 8 that are corresponding to one another can be connected to one another.
  • the grooves 4 of the laminated core 2 can be open in the radial direction 12 in the direction of the longitudinal axis 3 of the stator 1. Such openings may be formed as an air gap 5.
  • the preparation of the laminated core 2, which limit the grooves 4 in the direction of the longitudinal axis 3, may be formed in the circumferential direction 10 as a tooth head 6.
  • On the opposite side of the respective groove 4 is the groove bottom 7.
  • the exact number of grooves 4 and the electrical conductor 8 received therein depends on the desired size or interpretation of the electric machine.
  • the grooves 4 may have a wide variety of cross-sectional shapes, with 8 corresponding, rectangular cross-sections of the grooves 4 having proved suitable for receiving electrical conductors.
  • Fig. 2 to Fig.4 different embodiments of insulation layers 9 are shown.
  • the present invention allows the avoidance of insulation paper and / or the application of a lacquer layer directly to the electrical conductor 8, which can be the production process of both the individual electrical conductors 8 and the assembly of the stator 1 rela tively simple design.
  • the electrical conductors 8 can be sufficiently secured against damage during assembly of the stator 1.
  • the minimum layer thickness of the total circumferential layer thickness 1 13 required for sufficient insulation between the electrical conductors 8 can be specified in relation to a predefinable maximum operating voltage U op on the stator 1:
  • the total circumferential layer thickness 1 13 thus depends on a predefinable maxima len operating voltage U op , and can by the mathematical result of the sum of a correction factor d of the size -175 pm and the product of a safety factor S of size 2.00 with a factor k k of size , 25 pm / V with a tolerance factor C toi in the range of 0.90 to 1.20 and the predetermined maximum operating voltage U op in the range of 400 V to 1400 V, are calculated.
  • the tolerance factor Ctoi has the size 1, but due to material-related tolerances can assume a tolerance factor Ctoi of 0.9 to 1.2.
  • the total peripheral layer thickness 13 is denoted by /, and in Table 1, the preferable total peripheral layer thicknesses 13 are indicated by t n0 m.
  • the maximum and minimum permissible total circumferential layer thicknesses 13 are given for the respective operating voltage U op with t max or t m in.
  • the minimum permissible total circumferential layer thickness 1 13 in the circumferential direction 10 has sufficient insulation to the laminated core 2 and the total radial layer thickness 14 radial direction 12 thus has sufficient insulation between the electrical conductors 8.
  • the inventive at least one insulating layer 9 is shown schematically.
  • the insulation layer 9 has a different layer thickness in the circumferential direction 10 to the layer thickness in the radial direction 12.
  • the total circumferential layer thickness 13 is at least 1.5 to 3 times, preferably 1.8 to 2.2 times, the total radial layer thickness 14 of the respective electrical conductor 8.
  • the volume fraction of the electrical conductor 8 is compared to the insulating layer 9 significantly increased, with the required insulation properties between the electrical conductors 8 and the laminated core 2 are maintained.
  • the formation of the at least one insulation layer 9 with a respectively reduced in the radial direction total radial layer thickness 14 between the electrical conductors 8 allows a very high stack density of the electrical conductors 8 in the radial direction 12th
  • the insulation layer 9 is constructed, for example, from two partial insulation layers.
  • a first base layer 15 is formed directly on the electrical conductor 8.
  • a top layer 17 is formed.
  • the two partial insulation layers thus form the at least one insulation layer 9.
  • the base layer 15 is substantially homogeneously formed in the circumferential direction 10 and in the radial direction 12.
  • the ratio of the total radial layer thickness 14 to the total circumferential layer thickness 13 is formed by different top layer thicknesses 18 in the radial direction 12 and circumferential direction 10. Analogous to FIG. 2 a, it can also be seen by way of example in FIG.
  • the electrical conductors 8 may be formed as a parallel conductor 20.
  • Each parallel conductor 20 consists of at least two electrical Operalei tern 21, which are beat in the application with the same electrical potential difference beauf.
  • the electrical sub-conductors 21 are respectively encased in the circumferential direction 10 and the radial direction 12 only by means of the base layer 15.
  • the respective corre sponding sub-conductors 21 are sheathed together with a top layer 17. In this way, the current displacement effects of the electrical sub-conductors 21 can be reduced efficiently. As schematically illustrated in FIG.
  • the ratio of the total circumferential layer thickness 13 to the total radial layer thickness 14 is achieved by the top layer thickness 18 formed locally differently in the radial direction 12 and the circumferential direction 10.
  • the restriction applies that the total circumferential layer thickness 13 of the respective electrical conductors in the specified ratio must be greater than the total radial layer thickness of the respective electrical conductor 8. Any additional thicker local total radial layer thicknesses 14 on the groove base 7 and / or on the tooth head 6 or air gap 5 are influenced by it unaffected.
  • Lig. 3 another possible embodiment is shown schematically, although in Lig. 3, the respective electrical conductors 8 have an insulating layer 9 of a base layer 15 and a top layer 17, an embodiment as a single-layer insulation layer 9 is also conceivable. As indicated schematically in Lig. 3, at least two electrical conductors 8 are connected in a jacketed manner by means of an additional supporting layer 19.
  • the support layer 19 of the example in Lig. 3 can thus be regarded as a mechanical enclosure of the eight electrical conductors 8 in within the groove 4.
  • the layer thickness of the support layer 19 in the radial direction 12 is counted as part of the total radial layer thickness 14.
  • the total circumferential layer thickness 13 includes, in addition to the base layer 15 and the top layer 17, the support layer 19 as well.
  • Lig. 4 schematic embodiments are shown, which for the formation of at least one cooling channel 23 and / or an additional electrical insulation and support to the groove bottom by means of barrier layer 24 shown.
  • these cooling channels 23 and cavities are also used for introducing a impregnation or impregnation nierharzes.
  • the embodiments of the lig. 4a to 4c show by way of example electrical conductor 8 with an at least two-part insulating layer 9.
  • the ent speaking embodiments, however, are also conceivable with a one-piece Isola tion layer 9.
  • the lig. 4a and 4b each show embodiments in which the electrical conductor 8, which is arranged adjacent to the groove bottom 7 of the groove 4, Lortaxe 22 has.
  • the electrical conductor 8 which is arranged adjacent to the groove bottom 7 of the groove 4, Lortaxe 22 has.
  • FIG. 4a are two sets of plates 22 formed as part of the top layer 17 in the radial direction such that the conductor package is braced from eight electrical conductors within the groove 4. Furthermore, the two sets of lams 22 form in the direction of the groove base 7 in the longitudinal direction 11 a continuously extending U-shaped cooling channel 23.
  • Fig. 4b is an example of the formation of an I-shaped extension 22 as part of the top layer 17 and insulation layer 9 of the electrical conductor 8 adjacent to the groove bottom 7 formed. In the manner shown, it comes to the formation of two cooling channels 23rd
  • FIGS. 4a and 4b are compatible with the previously mentioned examples of FIGS. 2a to 2c and FIG. 3, which is why a repetition of the description is dispensed with and reference is made to the description of the respective figures. Furthermore, it is possible to form such extensions 22 as well or independently in the radial direction 12 for supporting the conductor package in the direction of the tooth head 6.
  • Fig. 4c a further embodiment of its own is shown. Again, the insulation layers 9 of the respective electrical conductors 8 as a multi-part insulation layer 9 comprising a respective base layer 15 and a top layer 17 are shown. Analogous to the description of Fig. 2a to 4b, the formation of a one-piece insulating layer 9 is conceivable. In the illustrated position in FIG.
  • all the electrical conductors have a substantially equal total traction layer thickness 14.
  • an additional barrier layer 24 is provided. Such a barrier layer 24 may also be provided in the direction of air gap 5 or tooth head 6.
  • Isola tion layer 9 which is formed of a thermoplastic, preferably substantially mentsmit telelle, high performance polymer.
  • a high performance polymer is preferably selected from the group PAEK, PPSU and PEEK.
  • the said layers have a crystalline content of at least 10%, more preferably 20%, to about 50%.
  • the at least one insulation layer 9 as well as the base layer 15 and / or the top layer 17 and / or the support layer 19 are formed directly on the electrical conductor 8 or on the sub-layer of the insulation layer 9 arranged thereunder.
  • the molding of the at least one insulating layer 9 is preferably carried out by means of an extrusion process.
  • formed insulating layers 9 preferably have an adhesive strength of more than 35 g / mm on the electrical conductor 8.

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  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für eine elektrische Maschine, umfassend ein Blechpaket (2) mit mehreren in Umfangsrichtung (10) um eine Längsachse (3) gleichmäßig verteilten und in eine Längsrichtung (11) des Blechpakets (2) durchgehend erstreckten Nuten (4) zur Aufnahme von jeweils zumindest zwei elektrischen Leitern (8) mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, die elektrischen Leiter (8) voneinander und gegenüber dem Blechpaket (2) mittels zumindest einer Isolationsschicht (9) in Radialrichtung (12) und Umfangsrichtung (10) ummantelnd, sowie in Längsrichtung (11) zumindest über eine Statorhöhe (1) des Stators (1), isoliert sind, wobei die zumindest eine Isolationsschicht (9) zur fehlerfreien Isolierung ein in Umfangsrichtung (10) und Radialrichtung (12) durchgehend geschlossen und, vorzugsweise mittels eines Extrusionsprozess, direkt auf dem elektrischen Leiter (8) angeformtes thermoplastisches Hochleistungspolymer umfasst, wobei die Isolationsschicht (9) zumindest in Umfangsrichtung (10) eine Gesamtumfangsschichtdicke (13) aufweist, welche zumindest das 1.5-fache bis 3-fache, bevorzugt 1.8-fache bis 2.2-fache, einer Gesamtradialschichtdicke (14) in Radialrichtung (12) des jeweiligen elektrischen Leiters (8) aufweist.

Description

STATOR MIT ISOLATIONSSCHICHT
Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, wobei die elektrischen Lei ter mit einer Isolationsschicht in Umfangs- und Radialrichtung derart ummantelt sind, dass eine besonders hohe Packungsdichte der elektrischen Leiter ermöglicht wird.
Prinzipiell sind derartige elektrische Maschinen sowie die hierfür verwendeten Statoren aus dem Stand der Technik bekannt, sodass zu weiteren Einzelheiten dazu auf diesen einschlägi gen Stand der Technik verwiesen sei. Eine elektrische Maschine kann vorzugsweise auch ei nen Rotor umfassen, welcher beispielsweise auf einer drehbaren Welle verdrehfest angeordnet sein kann. Im Betrieb einer z.B. als Elektromotor ausgebildeten elektrischen Maschine wird aufgrund der erzeugten Magnetfelder der Rotor in eine Drehbewegung versetzt. Der Stator ist aber prinzipiell auch ohne Rotor für die Erzeugung eines Drehfeldes einsetzbar.
Statoren für elektrische Elektromotoren umfassen elektrische Spulen die in Form von Wick lungen um einen elektrisch und magnetisch leitfähigen Kem ausgeführt sind und bei Strom durchfluss der Spulen in dem Statorpaket ein Magnetfeld erzeugen, welches zum Antrieb des Elektromotors erforderlich ist. Diese Wicklungen können z.B. dadurch erzeugt werden, dass U-förmig gebogene Leiterelemente oder auch stabförmige Leiterelemente in das Statorpaket gesteckt werden und die vorgesehenen Leiterelemente zu Wicklungen verschalten werden.
Die teils recht hohe elektrische Spannung, welche an den einzelnen elektrischen Leitern im Betrieb anliegt kann zur Ausbildung eines elektrischen Kontakts zwischen den Leitern und/o der zum Blechpaket führen. Dies zu vermeiden ist es erforderlich die elektrischen Leiter ge geneinander, sowie zum Blechpaket hin zu isolieren, wie dem Fachmann bekannt. Die ein schlägigen Normen, wie etwa EN 60664-1, schreiben hierbei die Ausbildung einer zweilagi gen Isolationsschicht, oder zumindest einer absolut fehlerfreien Isolationsschicht vor.
In der Vergangenheit stellte die Isolation der elektrischen Leiter mittels einer auf dem elektri schen Leiter abgeschiedenen Lackschicht und einem harzgetränkten Isolationspapier eine sehr gängige Methode dar die Isolationserfordemisse zu erfüllen. Die Aufbringung der Lack- schicht mit einer Dicke von einigen 10 mih bis einige 100 mih auf dem elektrischen Leiter er fordert ein Aushärten dergleichen, welches häufig in einem Ofen durchgeführt wird und so wohl zeit- als auch kostenintensiv ist. Ebenso sind das Einführen des Nutpapiers und das da ran anschließende Einfügen der elektrischen Leiter mit hohem technischen Aufwand verbun den.
Eine Alternative wird in der DE102015216840A1 offenbart. Es wird darin ein Stator für eine elektrische Maschine mit elektrischen Leitern beschrieben, welche mittels einem Isolations element gegen das Blechpaket isoliert sind. Das Isolationselement ist dabei aus einem thermo plastischen Schlauchelement gebildet, welches den jeweiligen elektrischen Leiter umschliesst bzw. ummantelt. Somit wird anstatt des Nutpapiers der Zusammenbau jedes elektrischen Lei ters mit einem dafür vorgesehenen Schlauchelement vor dem Einfügen in den Stator erforder lich, was einen signifikanten Prozessaufwand bedeutet.
Eine weitere Möglichkeit zur Erreichung einer ausreichenden Isolation wird in EP3043355A1 offenbart. Hierin werden elektrische Leiter mit einer mehrlagigen Isolierschicht beschrieben, welche einen Urethanhaltigen, duroplastischen, Lack als Haftschicht zu einem darauf abge schiedenen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Die Lackschicht muss jedoch vor der Weiterverarbeitung in einem Ofen ausgehärtet werden, bevor die zweite Lage bzw. Top schicht aufgebracht werden kann, was mit erhöhtem Prozessaufwand verbunden ist.
US2015243410A1 führt das Problem auf, dass eine Isolationsschicht auf elektrischen Leitern aus mehreren duroplastischen Lackschichten mit zunehmender Anzahl an Lackschichten zu verringerter Haftung zwischen den einzelnen Lackschichten führt und zudem Blasenbildung bevorzugt auftritt. Es wird darin vorgeschlagen eine Isolations Schicht aus einer Mehrlagen schicht aufzubauen, wobei die äußerste Schicht aus einem thermoplastischen Kunststoff be steht und mittels einer duroplastischen Lackschicht mit dem elektrischen Leiter zu verbinden. Hierbei ist jedoch ebenso ein Aushärten der Basislackschicht erforderlich, was mit einem ho hen Prozessaufwand verbunden ist. Bei der Herstellung von kompakten und dennoch leistungsstarken Statoren elektrischer Ma schinen kann zudem die Leistung bzw. der Wirkungsgrad stark von den eingesetzten Isolati onsmaterialien und der Anzahl der Wicklungen bzw. der Packungsdichte der elektrischen Lei ter abhängen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu über winden und einen Stator zur Verfügung zu stellen, welcher eine ausreichend gute Isolation zwischen den elektrischen Leitern, sowie zum Blechpaket mit einem besonders hohem Füll faktor an elektrischen Leitern in den dafür vorgesehenen Nuten des Blechpakets kombiniert.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine, umfasst dabei ein Blechpaket mit mehreren in einer Umfangsrichtung und um eine Längsachse gleichmäßig verteilten, sowie in eine Längsrichtung des Blechpakets durchgehend erstreckten Nuten, welche zur Aufnahme von jeweils zumindest zwei elektrischen Leitern mit im Wesentlichen rechteckigen Quer schnitt vorgesehen sind. Die elektrischen Leiter sind dabei voneinander und gegenüber dem Blechpaket mittels zumindest einer Isolations Schicht in Radialrichtung und Umfangsrichtung ummantelnd, sowie in Längsrichtung zumindest über eine Statorhöhe des Stators, isoliert. Hierbei umfasst die zumindest eine Isolationsschicht zur fehlerfreien Isolierung ein in Um fangsrichtung und Radialrichtung durchgehend geschlossen und vorzugsweise mittels eines Extrusionsprozess direkt auf dem elektrischen Leiter angeformtes, thermoplastisches Hoch leistungspolymer. Die Isolations Schicht weist zumindest in Umfangsrichtung eine Gesamtum fangsschichtdicke auf, welche zumindest das l.5-fache bis 3-fache, bevorzugt l.8-fache bis 2.2-fache, einer Gesamtradialschichtdicke in Radialrichtung des jeweiligen elektrischen Lei ters aufweist.
Eine derartig durchgehend ausgebildete Isolations Schicht aus einem thermoplastischen Hoch leistungspolymer kann die erforderlichen Isolationseigenschaften bereits als einlagige Schicht erfüllen. Die direkte Anformung auf dem elektrischen Leiter kann durch einen direkten Auf trag z.B. einen Walzprozess, einem Gießprozess oder bevorzugt mittels Extrusionsprozess er folgen. Auf diese Weise lassen sich sowohl eine ausreichend gute Haftung auf dem, in der Re- gel aus Kupfer bestehenden, elektrischen Leitern verwirklichen. Extrudierte Hochleistungspo lymer weisen dabei oftmals charakteristische Oberflächenstrukturen auf, welche naturgemäß in Extrusionsrichtung als eine Art„Extrusionsriefen“ erkennbar sind und somit deutlich von einer herkömmlich aufgebrachten Lackschicht unterscheidbar sind.
Derartig ummantelte elektrische Leiter sind relativ schnell, komfortabel und sicher in das Blechpaket einführbar, da kein zusätzliches Isolationselement oder auch Nutpapier zwischen den Leitern und dem Blechpaket vorgesehen werden muss. Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Isolation zwischen den elektrischen Leitern, also in Radialrichtung, vergleichsweise schlank gewählt werden kann, wenn die Gesamtumfangsschichtdicke im angegebenen Ver hältnis die Radialgesamtschichtdicke übersteigt. Durch die unterschiedliche Schichtdicken verteilung in Umfangsrichtung und Radialrichtung eines jeden elektrischen Leiters, kann so mit auf relativ einfache Weise die Packungsdichte der Leiter in der Nut erhöht werden. Es hat sich gezeigt, dass dieses auch als„Kupfer-Füllfaktor“ bezeichnete Designkriterium die Erhö hung des Wirkungsgrades des Stators, ohne einer Einbuße der Isolationseigenschaften, er laubt. Zudem kann die Sicherheit gegen Beschädigung beim Einführen der elektrischen Leiter in das Blechpaket oder auch bei nachfolgenden Biegevorgängen zum Ausbilden der Wicklun gen bzw. Spulen durch die erhöhte Umfangsschichtdicke positiv beeinflusst werden.
Die Gesamtumfangsschichtdicke und die davon abhängige Gesamtradialschichtdicke kann vom Fachmann vorab in Anbetracht von der maximal anzulegenden Betriebsspannung Uop de finiert werden.
Es hat sich gezeigt, dass eine vorgebbare maximale Betriebsspannung Uop des Stators zur Be rechnung einer zulässigen Untergrenze für die Gesamtumfangsschichtdicke herangezogen werden kann. Auf diese Weise können unterschiedliche Statorgrößen auf relativ einfache Weise mit dem gleichen Konzept verwirklicht werden, welche alle einen hohen Wirkungsgrad und einen hohen Kupfer-Füllfaktor aufweisen.
Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, wenn die zumindest eine Isolations Schicht eine Ge samtumfangsschichtdicke t aufweist, welche mit der folgenden Formel berechnet werden kann: Die Gesamtumfangsschichtdicke steht somit in Abhängigkeit einer vorgebbaren maximalen Betriebsspannung Uop, und kann durch das mathematische Ergebnis der Summe eines Korrek turfaktor d der Größe -175 m m und dem Produkt eines Sicherheitsfaktors S der Größe 2,00 mit einem Vorfaktor k der Größe 0,25 m m/ V mit einem Toleranzfaktor Ctoi im Bereich von 0,90 bis 1,20 und der vorgebbaren maximalen Betriebsspannung Uop im Bereich von 400 V bis 1400 V, berechnet werden.
Üblicherweise weist der Toleranzfaktor Ctoi die Größe 1 auf, kann jedoch aufgrund material bedingter Toleranzen einen Toleranzfaktor Ctoi von 0,9 bis 1,2 annehmen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Gesamtumfangsschichtdicke in Umfangsrichtung eine ausreichende Isolation zum Blechpaket aufweist und die Gesamtradialschichtdicke eine aus reichende Isolation zwischen den elektrischen Leitern aufweist.
Ferner kann vorgesehen sein, zumindest zwei, bevorzugt vier oder mehr, elektrische Leiter mittels einer zusätzlichen in Radialrichtung und Umfangsrichtung die zumindest zwei elektri schen Leiter zusammen ummantelnden Stützschicht verbunden sind.
Diese Maßnahme erlaubt, dass mehrere elektrische Leiter auf einfache Weise miteinander nicht leitfähig verbunden werden können. Dadurch wird das Einführen in die jeweilig vorge sehenen Nuten des Stators signifikant erleichtert und kann vorzugsweise automatisiert durch geführt werden. Ferner können eventuelle Beschädigungen, wie etwa ein Zerkratzen, der Iso lationsschicht beim Einführen des somit entstandenen Leiterpakets vermieden werden. Die zumindest zwei, bevorzugt vier oder mehr, elektrischen Leiter werden durch die gemeinsame Stützschicht zusammen ummantelt und weisen bevorzugt bereits vor der Aufbringung der Stützschicht die lokalen Gesamtumfangsschichtdicken bzw. Radialumfangsschichtdicken auf. Das Verhältnis der Gesamtumfangsschichtdicke zur Radialumfangs schichtdicke eines jeweili gen Leiters kann jedoch auch durch die Stützschicht erreicht werden. Hierdurch kann sich der Vorteil ergeben, dass die einzelnen elektrischen Leiter relativ dünne bzw. schlanke Isolations schichten in Radialrichtung zueinander bzw. in Umfangsrichtung aufweisen können, was ei ner Beschädigung einer nachfolgenden Biegeoperation der Leiterenden außerhalb des Stators Vorbeugen kann. Die Stützschicht ist primär dazu vorgesehen nur innerhalb des Leiterpakets als gemeinsame Ummantelung der elektrischen Leiter zu dienen und somit in Längsrichtung im Wesentlichen auf die Höhe des Stators bzw. der Nuten begrenzt.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Gesamtradialschichtdicke der in Radialrich tung an einem Nutgrund und/oder an einem Luftspalt und/oder dem Zahnkopf der jeweiligen Nut benachbart angeordneten elektrischen Leiter in Radialrichtung an der dem Nutgrund bzw. dem Zahnkopf und/oder dem Luftspalt zugewandten Seite zumindest das l.5-fache bis 3-fa- che, bevorzugt l.8-fache bis 2.2-fache, der Gesamtradialschichtdicke eines dazu in Radial richtung benachbart angeordneten elektrischen Leiters, bevorzugt 200 bis 500 pm, aufweist.
Durch diese Ausführungsform wird ermöglicht, dass jene in Radialrichtung benachbart ange ordneten elektrischen Leiter eine relativ schlanke Isolations Schicht zueinander aufweisen kön nen und lediglich die in Radialrichtung„zuinnerst“ und/oder„äußerst“ angeordneten elektri schen Leiter eine Art zusätzliche Isolation durch die erhöhte Gesamtradialschichtdicke der je weiligen elektrischen Leiter aufweisen. Dies kann besonders bei mehr als vier elektrischen Leitern, wie etwa sechs oder acht, von Vorteil sein, da der Kupfer-Füllfaktor in der Nut erhöht werden kann und die Isolationsschicht nur an den Bereichen in Radialrichtung zum Zahnkopf und/oder dem Luftspalt und/oder dem Nutgrund der jeweiligen Nut zusätzlich verdickt ausge bildet ist. Diese Maßnahme kann außerdem dazu dienen, eine Verspannung der elektrischen Leiter, durch die erhöhte Gesamtradialschichtdicke in Radialrichtung der außen und/oder in nenliegenden elektrischen Leiter auf das Leiterpaket auszuüben. Dies begünstigt die Betriebs sicherheit und kann Vibrationen, oder auch Problemen der Dauerfestigkeit der Isolations schicht, während der Anwendung Vorbeugen.
Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass die Isolati onsschicht eine erste, direkt auf dem elektrischen Leiter angeformte Basisschicht mit einer Basisschichtdicke und eine zweite, direkt auf der ersten Basisschicht, vorzugsweise mittels eines Extrusionsprozess, angeformte Topschicht mit einer Topschichtdicke umfasst.
Die relativen Topschicht- bzw. Basisschichtdicken können je nach Anwendung innerhalb der zuvor genannten Verhältnisse der Gesamtradialschichtdicke und/oder Gesamtumfangsschicht dicke durch den Fachmann optimiert werden. Dieses Konzept ist zudem sinngemäß auch auf drei oder mehrere Isolations schichtlagen übertragbar. Der Vorteil einer zumindest zweilagig ausgebildeten Isolations Schicht, welche direkt auf dem elektrischen Leiter angeformt wurde, besteht vorrangig darin, dass etwaige, herstellungsbedingte Fehlstellen der Basisschicht durch die zweite Topschicht verschlossen bzw.„geheilt“ werden können. Die Anformung eines Hochleistungspolymers mittels eines Extrusionsprozesses hat sich hierbei als besonders vor teilhaft erwiesen, da die Wahrscheinlichkeit der Ausbildung von Fehlstellen des Hochleis tungspolymers an der gleichen Stelle in Umfangs- oder Radialrichtung entlang des elektri schen Leiters verschwindend gering ist. Dies begünstigt die Herstellungskosten und Betriebs sicherheit und kann zudem die Kosten für eine aufwändige Prüfung auf Fehlerfreiheit gegen über einer einlagig ausgebildeten Isolationsschicht deutlich reduzieren. Ein zusätzlicher Vor teil der zumindest zweilagigen Isolationsschicht kann in einer verbesserten Rissbeständigkeit gegenüber einer einlagig ausgebildeten Isolations Schicht bestehen.
Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass die Topschichtdicke zumindest in Umfangs richtung zumindest das l,5-fache bis 3-fache, bevorzugt l.8-fache bis 2.2-fache der darunter liegenden Basisschichtdicke aufweist, welche Basisschichtdicke bevorzugt im Bereich von 10 bis 200 pm liegt.
Auf diese Weise kann auf sämtlichen elektrischen Leiter bei der Herstellung der Isolations schicht eine im Wesentlichen einheitliche und dünne Basis Schicht direkt angeformt werden und die lokal erforderlichen Gesamtradial- und/oder Gesamtumfangsschichtdicken erst mit der Aufbringung der Topschicht eingestellt werden. Dies bietet einige prozesstechnische Vor teile und erlaubt unter anderem ein rasches und kostengünstiges Aufbringen der Isolations schicht. Es hat sich gezeigt, dass eine sehr dünn ausgebildete Basisschicht von z.B. wenigen 10 pm bis ca. 200 pm je nach Anwendung ausreichend ist und etwaige Defekte oder Fehlstel len der Basisschicht effizient mittels der Topschicht geheilt werden können und gleichzeitig die lokalen Isolationseigenschaften erfüllt werden können.
Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn zur Ausbildung zumindest eines Parallelleiters zumin dest ein elektrischer Leiter zwei, zur Beaufschlagung mit gleicher elektrischer Potentialdiffe renz vorgesehene Teilleiter umfasst, wobei die beiden korrespondierenden Teilleiter jeweils mittels der Basisschicht ummantelt sind und gemeinsam von der Topschicht ummantelt sind. Die Ausbildung eines elektrischen Leiters als zwei parallele Teilleiter kann als„Pin-Paralleli- sierung“ bezeichnet werden und eine Reduktion von Stromverdrängungseffekten bewirken. Die Teilleiter sind dabei jeweils vorteilhafterweise durch eine sehr dünne Isolationsschicht voneinander getrennt, welche im vorliegenden Fall durch die Basisschicht ausreichend ausge bildet ist. Durch die Einstellung der Gesamtradialschichtdicke und/oder Gesamtumfangs schichtdicke durch die Topschicht kann die zuvor genannte Isolationsschicht derart ausgebil det werden, dass der Kupfer-Füllfaktor im Stator signifikant gegenüber einer einschichtig aus gebildeten Isolationsschicht erhöht werden kann. Es ist dabei fertigungstechnisch besonders vorteilhaft, wenn die Basisschicht im Wesentlichen homogen in Umfangs- und Radialrichtung den jeweiligen Teilleiter ummantelnd ausgebildet ist, da die Anordnung und Ummantelung durch die Topschicht am jeweiligen Parallelleiter relativ einfach eingestellt werden kann. Eine derartige Anordnung der Teil- und Parallelleiter erhöht zudem das Handling kann eine zusätz liche Stützfunktion der elektrischen Leiter innerhalb der Nut des Stators erfüllen.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Basis schichtdicke in Radialrichtung zwischen den korrespondierenden Teilleitern 10 bis etwa 100 pm, bevorzugt 10 bis etwa 50 pm, be trägt.
Auf diese Weise kann eine sehr kompakte Anordnung der Teilleiter zur Ausbildung der Paral lelleiter erreicht werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Basis schichtdicke in Radialrichtung an der in jeweils vom korrespondierenden Teilleiter abgewandten Seite in Radialrichtung und/oder Umfangs richtung eine Basisschichtdicke von zumindest dem 5-fachen bis l5-fachen, bevorzugt lO-fa- chen bis 12, 5-fachen, besonders bevorzugt von 100 bis 300 pm, der Basisschichtdicke zwi schen den korrespondierenden Teilleitern aufweist.
Diese Maßnahme ermöglicht, dass die Teilleiter, welche beim Betrieb des Stators mit gleicher elektrischen Potentialdifferenz beaufschlagt werden, eine sehr effiziente Isolation bei gleich zeitig sehr geringem Abstand zueinander aufweisen können. Die Isolation zu benachbart an geordneten Teilleitern bzw. Parallelleitern wird durch das angegebene Verhältnis ausreichend ausgebildet und dennoch ein sehr hoher Kupfer-Füllfaktor erzielbar, wodurch der Wirkungs grad des Stators erhöht werden kann. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Isolations Schicht und/oder die Topschicht und/oder die Stützschicht in Radialrichtung zumindest einseitig zumindest einen, bevorzugt U- oder I-förmigen, Fortsatz zur Bildung zumindest eines in Längsrichtung des Stators erstreckten Kühlkanals aufweist.
Ein derartiger Fortsatz oder auch mehrere Fortsätze können auf relativ einfache Weise die elektrischen Leiter gegenüber dem Nutgrund und/oder dem Zahnkopf und/oder dem Luftspalt beabstanden. Derartige Fortsätze können vorteilhafterweise während der Anformung der Iso lationsschicht auf dem elektrischen Leiter durch z.B. Extrusion des Hochleistungspolymers direkt mitausgebildet werden. Die Fortsätze übernehmen dabei einerseits eine abstützende Funktion gegenüber dem Blechpaket. Andererseits können die verbleibenden Hohlräume zwi schen dem benachbart angeordneten elektrischen Leiter und dem Blechpaket als Kühlkanal genutzt werden, welcher sich in Längsrichtung entlang des Blechpakets ausbildet. Ebenso können zur Optimierung des Materialeinsatzes diese Hohlräume zum Einbringen eines Tränk oder Imprägnierharzes verwendet werden. Auf diese Weise kann auf das Einbringen zusätzli cher, dem Stand der Technik bekannter, Elemente zur Ausbildung von Kühlkanälen verzichtet werden, wodurch sich die Herstellungskosten und der Aufwand beim Zusammenbau des Sta tors reduzieren lassen.
Gemäß einer besonderen Ausprägung ist es möglich, dass zwischen dem Luftspalt und/oder dem Zahnkopf der jeweiligen Nut und/oder am Nutgrund und der zumindest einen Isolations schicht oder der Topschicht oder der Stützschicht des in Radialrichtung benachbart angeord neten elektrischen Leiters und/oder Parallelleiters eine zusätzliche elektrisch isolierende Bar riereschicht, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe Polyimid (PI), Polyamideimid (PAI), Po lyacryletherketon (PAEK), Polyphenylensulfon (PPSU), Polyetheretherketon (PEEK), ange ordnet ist.
Diese Maßnahme kann dazu genutzt werden, auf relativ einfache Weise die erforderlichen Isolationseigenschaften in Radialrichtung gegenüber dem Blechpaket sicherzustellen. Es ist dabei vorteilhaft, dass keine speziell für eine jeweilige Position in der Nut vorgesehenen elektrischen Leiter mit voneinander unterschiedlichen Gesamtradialschichtdicken bereitge- stellt werden müssen. Dies bringt fertigungstechnische Vorteile mit sich, da sämtliche elektri schen Leiter auf die gleiche Weise gefertigt werden können. Es kann daher ausreichen, wenn sämtliche Leiter eine vorgegebene Gesamtumfangsschichtdicke aufweisen, welche die Ge samtradialschichtdicke des elektrischen Leiters im zuvor genannten Verhältnis übersteigt. Zu dem kann vorgesehen sein, dass die Barriereschicht auf den„zuinnerst“ und/oder„äußersten“ elektrischen Leitern aufgeklebt, aufgegossen, aufgespritzt und somit ebenso direkt angeformt werden kann. Zur Herstellung derartiger Barriereschichten haben sich Polymere mit ausrei chender Temperatur Stabilität und elektrischen Isolationseigenschaften als besonders vorteil haft erwiesen. Diese Polymere weise zudem den Vorteil einer guten Verarbeitbarkeit, wie etwa Extrudier- und/oder Schweißbarkeit, auf und können auch durch Hochleistungspolymere gebildet sein.
In einer besonderen Ausführungsform ist eine Kombination der Barriereschicht mit den zuvor genannten Lortsätzen als einteiliges Element möglich. Zum einen kann dadurch eine sehr ein fache Herstellung der Lortsätze als Teil der Barriereschicht realisiert werden und zum anderen kann der Vorteil genutzt werden, dass sämtliche elektrischen Leitern mit einer im Wesentli chen gleichartigen Isolationsschicht ausgebildet sein können.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Isolationsschicht eine Haftfestigkeit von mehr als 35 g/mm, bevorzugt mehr als 45 g/mm, nach DIN EN ISO 527-1:2012-06 oder VDI 2019:2016-04 am elektrischen Leiter auf weist.
Die Anwendung eines Schältests nach DIN EN ISO 527-1:2012-06 oder VDI 2019:2016-04 ist dem Fachmann bekannt und wird in der Regel als Maß zur Beurteilung der Haftung der zu mindest einen Isolationsschicht am elektrischen Leiter angesehen. Es hat sich gezeigt, dass eine Haftung der Isolationsschicht von mehr als 35 g/mm und mehr im Zusammenspiel mit den relativ dünnen Gesamtradialschichtdicken und/oder Gesamtumfangsschichtdicken eine gute Umformbarkeit der elektrischen Leiter erlaubt, obwohl die elektrischen Leiter sehr dicht aneinander angeordnet sind. Es ist daher vorteilhaft, wenn bei erwünscht hohem Kupfer-Füll faktor im Stator eine ausreichend hohe Haftfestigkeit der Isolations Schicht am elektrischen Leiter ausgebildet ist. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die zumindest eine Isolations Schicht und/oder die Basisschicht und/oder die Topschicht und/oder die Stützschicht und/oder die Barriereschicht aus einem thermoplastischen, bevorzugt im Wesentlichen lösungsmittelfreien, Hochleistungs polymer, bevorzugt aus der Gruppe Polyacryletherketon (PAEK), Polyphenylensulfon (PPSU), Polyetheretherketon (PEEK), ausgebildet ist.
Hochleistungspolymere haben den Vorteil, dass sie sich zur direkten Anformung auf einem rechteckig ausgebildeten elektrischen Leiter, insbesondere Kupfer oder Kupferlegierung, be sonders gut eignen. Zudem weisen die genannten Hochleistungspolymere eine hohe elektri sche Durchschlagfestigkeit bzw. Isolationseigenschaften auf in Kombination mit einer relativ hohen Temperaturbeständigkeit von mehr als 300°C auf. Die genannten thermoplastischen Hochleistungspolymere können ferner extrudiert und/oder geschweißt werden und direkt auf einander angeformt werden. Es ist dabei möglich, dass sich bei Ausbildung der zumindest ei nen Isolationsschicht die verwendeten Hochleistungspolymere der einzelnen Schichtlagen voneinander unterscheiden. Es hat sich jedoch besonders vorteilhaft erwiesen, wenn artglei che Hochleistungspolymere als z.B. Basis- und Topschicht und/oder Stützschicht oder auch Barriereschicht verwendet werden, da hierbei eine gute chemische und mechanische Anfor mung und/oder Anbindung aneinander ermöglicht wird. Zudem lässt sich hierbei die Komple xität des Herstellungsprozesses deutlich reduzieren, da beispielsweise nur ein Ausgangsmate rial bereitgestellt werden muss.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Isolationsschicht und/oder die etwaige Basisschicht und/oder die etwaige Topschicht und/oder die Stützschicht und/oder die Barrier eschicht ein thermoplastisches Polymer, bevorzugt Hochleistungspolymer, mit einem kristalli nen Anteil von zumindest 10 %, bevorzugt 20 %, bis etwa 50 % aufweist.
Durch diese Maßnahme kann die strukturelle Integrität der zumindest einen Isolations Schicht über einen großen Temperaturbereich in der Anwendung gewährleistet werden. Zudem er laubt die Verwendung von semi-kristallinen Polymeren, insbesondere Hochleistungspoly- mern, eine gute Umformbarkeit und hohe mechanische Stabilität, welches bei der Verformung der elektrischen Leiter vor und/oder nach dem Einführen in das Blechpaket von erheblicher praktischer Bedeutung sein kann um Rissen und/oder Fehlstellen der Isolationsschicht vorzu beugen. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 Schrägansicht eines beispielhaften Stators mit teilweise mit elektrischen Leitern befüllten Nuten;
Fig. 2 schematische Querschnittsdarstellung möglicher Ausführungsbeispiele von
elektrischen Leitern in einer Nut mit einschichtig (a) bzw. zweischichtig (b) aus gebildeter Isolationsschicht, sowie Parallelleitem mit zweischichtiger Isolations schicht (c);
Fig. 3 schematische Querschnittsdarstellung durch eine Nut mit einem Leiterpaket und elektrischen Leitern mit einer zweischichtigen Isolationsschicht und einer das Lei terpaket umgebenden Stützschicht;
Fig. 4 schematische Querschnittsdarstellung durch eine Nut mit einem Leiterpaket und elektrischen Leitern mit einer zweischichtigen Isolationsschicht und U-förmigen (a), oder I-förmigen (b) Fortsätzen, oder einer Barriereschicht (c) am Nutgrund und/oder Statorzahn;
Fig. 5 schematische Dartstellung der minimal erforderlichen Gesamtumfangsschichtdi cke in Abhängigkeit der maximalen Betriebsspannung des Stators.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen wer den, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf glei che Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen wer den können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, un ten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. In Fig. 1 ist ein Stator 1 in einer Schrägansicht schematisch dargestellt. Der Stator 1 umfasst dabei ein Blechpaket 2 in welche eine Vielzahl von Nuten 4 in Umfangsrichtung 10 verteilt angeordnet sind. Die Nuten 4 sind dabei in Längsrichtung 11 durchgehend ausgebildet. In Fig. 1 sind beispielhaft mehrere elektrische Leiter 8 vor ihrer Verbindung zu einer elektrischen Wicklung dargestellt. Analog dazu ist beispielhaft aus Fig. 1 ersichtlich, dass mehrere elektri sche Leiter 8 zur Ausbildung einer Spule in Umfangsrichtung 10 verbogen sein können und miteinander korrespondierende elektrische Leiter 8 miteinander verbunden vorliegen können.
Die Nuten 4 des Blechpakets 2 können in Radialrichtung 12 in Richtung der Längsachse 3 des Stators 1 offen sein. Derartige Öffnungen können als Luftspalt 5 ausgebildet sein. Die Berei che des Blechpakets 2, welche die Nuten 4 in Richtung Längsachse 3 begrenzen, können in Umfangsrichtung 10 als Zahnkopf 6 ausgebildet sein. An der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Nut 4 befindet sich der Nutgrund 7. Die genaue Anzahl an Nuten 4 sowie der darin aufgenommenen elektrischen Leiter 8 richtet sich nach der gewünschten Größe bzw. Ausle gung der elektrischen Maschine.
Grundsätzlich können die Nuten 4 unterschiedlichste Querschnittsformen aufweisen, wobei sich zur Aufnahme von elektrischen Leitern 8 korrespondierende, rechteckige Querschnitte der Nuten 4 bewährt haben. Zur Isolation der einzelnen elektrischen Leiter 8 zueinander so wie zum Blechpaket 2 ist es erforderlich zumindest eine Isolationsschicht 9 fehlerfrei in Um fangsrichtung 10 sowie Radialrichtung 12 durchgehend geschlossen auszubilden, um die elektrischen Leiter 8 zumindest innerhalb des Blechpakets 2 zu ummanteln. In Fig. 2 bis Fig.4 sind unterschiedliche Ausführungsformen von Isolations schichten 9 dargestellt.
Die vorliegende Erfindung erlaubt die Vermeidung von Isolationspapier und/oder der Auf bringung einer Lackschicht direkt am elektrischen Leiter 8, wodurch sich der Produktionspro zess sowohl der einzelnen elektrischen Leiter 8 als auch der Zusammenbau des Stators 1 rela tiv einfach gestalten lassen. Insbesondere durch die Ausbildung der zumindest einen Isolati onsschicht 9 mit einer Gesamtumfangsschichtdicke 13 und einer Gesamtradialschichtdicke 14 im bevorzugt angegebenen Schichtdickenbereich können die elektrischen Leiter 8 ausreichend gegen Beschädigung während des Zusammenbaus des Stators 1 gesichert werden. Die für eine ausreichende Isolation zwischen den elektrischen Leitern 8 erforderliche Min destschichtdicke der Gesamtumfangsschichtdicke 1 13 kann in einem Verhältnis zu einer vor- gebbaren maximalen Betriebsspannung Uop am Stator 1 angegeben werden:
t = S - k - Ctol Uop + d
Die Gesamtumfangsschichtdicke 1 13 steht somit in Abhängigkeit einer vorgebbaren maxima len Betriebsspannung Uop, und kann durch das mathematische Ergebnis der Summe eines Korrekturfaktor d der Größe -175 pm und dem Produkt eines Sicherheitsfaktors S der Größe 2,00 mit einem Vorfaktor k der Größe 0,25 pm/V mit einem Toleranzfaktor Ctoi im Bereich von 0,90 bis 1,20 und der vorgebbaren maximalen Betriebsspannung Uop im Bereich von 400 V bis 1400 V, berechnet werden.
Entsprechende beispielhafte Werte für bevorzugte Gesamtumfangsschichtdicken 13 sind in Tabelle 1 angegeben und in Fig. 5 veranschaulicht.
Tabelle 1:
Figure imgf000016_0001
Üblicherweise weist der Toleranzfaktor Ctoi die Größe 1 auf, kann jedoch aufgrund material bedingter Toleranzen einen Toleranzfaktor Ctoi von 0,9 bis 1,2 annehmen. Der Einfachheit halber wird in der Beschreibung die Gesamtumfangsschichtdicke 13 als / bezeichnet, wobei in Tabelle 1 die bevorzugten Gesamtumfangsschichtdicken 13 durch tn0m angegeben sind. Die jeweils maximal und minimal zulässigen Gesamtumfangsschichtdicken 13 sind für die jewei lige Betriebsspannung Uop mit tmax bzw. tmin angegeben.
Die minimal zulässige Gesamtumfangsschichtdicke 1 13 in Umfangsrichtung 10 weist eine ausreichende Isolation zum Blechpaket 2 und die Gesamtradialschichtdicke 14 Radialrichtung 12 weist damit eine ausreichende Isolation zwischen den elektrischen Leitern 8 auf.
In Fig. 2a ist schematisch die erfindungsgemäße zumindest eine Isolations Schicht 9 gezeigt. Die Isolationsschicht 9 weist dabei eine unterschiedliche Schichtdicke in Umfangsrichtung 10 zur Schichtdicke in Radialrichtung 12 auf. Dabei beträgt die Gesamtumfangsschichtdicke 13 zumindest das 1,5- bis 3-fache, bevorzugt 1,8- bis 2,2-fache, der Gesamtradialschichtdicke 14 des jeweiligen elektrischen Leiters 8. Erfindungsgemäß wird der Volumenanteil der elektri schen Leiter 8 im Vergleich zur Isolationsschicht 9 deutlich erhöht, wobei die erforderlichen Isolationseigenschaften zwischen den elektrischen Leitern 8 sowie zum Blechpaket 2 erhalten bleiben.
Wie aus den Fig. 1 bis 4 ersichtlich, kann durch die erfindungsgemäße direkte Anformung der Isolationsschicht 9 auf den elektrischen Leiter 8 auf Isolationspapier oder etwaige nicht darge stellte, weitere Isolationselemente verzichtet werden. Die Ausbildung der zumindest einen Isolationsschicht 9 mit einer jeweils in Radialrichtung reduzierten Gesamtradialschichtdicke 14 zwischen den elektrischen Leitern 8 erlaubt eine sehr hohe Stapeldichte der elektrischen Leiter 8 in Radialrichtung 12.
Ferner kann aus Fig. 2a eine Ausführungsform ersehen werden, in welcher der zu äußerst di rekt am Nutgrund 7 benachbart angeordnete elektrische Leiter 8 zum Nutgrund 7 hinweisend eine höhere Gesamtradialschichtdicke 14 als in Radialrichtung 12 vom Nutgrund 7 wegwei send zum nächstliegend angeordneten elektrischen Leiter 8 aufweist. Die Einschränkung, dass die Gesamtumfangsschichtdicke 13 zumindest das 1,5- bis 3-fache, bevorzugt 1,8- bis 2,2-fa- che, der Gesamtradialschichtdicke 14 des jeweiligen elektrischen Leiters in Radialrichtung 12 zum benachbart angeordneten elektrischen Leiter 8 aufweist, bleibt dadurch unbeeinflusst. Eine derartige Ausbildung der Gesamtradialschichtdicke 14 kann analog am zuinnerst ange ordneten elektrischen Leiter 8 im Bereich des Zahnkopfs 6 bzw. des Luftspalts 5 ausgebildet sein.
In Fig. 2b ist die Isolationsschicht 9 beispielhaft aus zwei Teilisolationsschichten aufgebaut. Eine erste Basisschicht 15 ist dabei direkt auf dem elektrischen Leiter 8 angeformt. Direkt auf der Basisschicht 15 ist eine Topschicht 17 angeformt. Die beiden Teilisolationsschichten bil den somit die zumindest eine Isolationsschicht 9 aus. In der gewählten exemplarischen Dar stellung von Fig. 2b ist die Basisschicht 15 im Wesentlichen in Umfangsrichtung 10 sowie in Radialrichtung 12 homogen ausgebildet. Dabei wird das Verhältnis der Gesamtradialschicht dicke 14 zur Gesamtumfangsschichtdicke 13 durch unterschiedliche Topschichtdicken 18 in Radialrichtung 12 sowie Umfangsrichtung 10 ausgebildet. Analog zu Fig. 2a kann auch in Fig. 2b beispielhaft ersehen werden, dass der zum Nutgrund 7 benachbart angeordnete elektri sche Leiter 8 eine zusätzliche Erhöhung der Gesamtradialschichtdicke 14 zum Nutgrund 7 hinweisend aufweist. In Fig. 2b sind zur Erläuterung lediglich zwei elektrische Leiter 8 darge stellt. Das Konzept ist für den Fachmann selbsterklärend auf die Befüllung der gesamten Nut 4 erstreckbar.
In Fig. 2c ist eine weitere mögliche und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungs form der Erfindung ersichtlich. Die elektrischen Leiter 8 können dabei als Parallelleiter 20 ausgebildet sein. Jeder Parallelleiter 20 besteht dabei aus zumindest zwei elektrischen Teillei tern 21, welche in der Anwendung mit der gleichen elektrischen Potentialdifferenz beauf schlagt werden. Die elektrischen Teilleiter 21 sind dabei jeweils in Umfangsrichtung 10 und Radialrichtung 12 lediglich mittels der Basisschicht 15 ummantelt. Die jeweils korrespondie renden Teilleiter 21 sind gemeinsam mit einer Topschicht 17 ummantelt. Auf diese Weise las sen sich Stromverdrängungseffekte der elektrischen Teilleiter 21 effizient reduzieren. Wie in Fig. 2c schematisch dargestellt, wird das Verhältnis der Gesamtumfangsschichtdicke 13 zur Gesamtradialschichtdicke 14 durch die lokal unterschiedlich in Radialrichtung 12 und Um fangsrichtung 10 ausgebildete Top schichtdicke 18 erreicht. Generell gilt die Einschränkung, dass die Gesamtumfangsschichtdicke 13 der jeweiligen elektrischen Leiter im angegebenen Verhältnis größer zur Gesamtradialschichtdicke des je weiligen elektrischen Leiters 8 sein muss. Etwaige zusätzlich dickere lokale Gesamtradial schichtdicken 14 am Nutgrund 7 und/oder am Zahnkopf 6 bzw. Luftspalt 5 sind davon unbe einflusst.
In Lig. 3 ist eine weitere mögliche Ausführungsform schematisch dargestellt, obwohl in Lig. 3 die jeweiligen elektrischen Leiter 8 eine Isolations Schicht 9 aus einer Basisschicht 15 sowie einer Topschicht 17 aufweisen, ist eine Ausführung als einlagige Isolations Schicht 9 ebenso denkbar. Wie in Lig. 3 schematisch angedeutet, werden zumindest zwei elektrische Leiter 8 mittels einer zusätzlichen Stützschicht 19 ummantelnd verbunden. Die Stützschicht 19 des Beispiels in Lig. 3 kann somit als mechanische Einfassung der acht elektrischen Leiter 8 in nerhalb der Nut 4 angesehen werden. Bei Vorliegen einer Stützschicht 19 wird die Schichtdi cke der Stützschicht 19 in Radialrichtung 12 als Teil der Gesamtradialschichtdicke 14 gezählt. Analog dazu umfasst die Gesamtumfangsschichtdicke 13 im dargestellten Beispiel neben der Basisschicht 15 und der Topschicht 17 ebenso die Stützschicht 19.
In Lig. 4 sind schematische Ausführungsbeispiele gezeigt, welche zur Ausbildung zumindest eines Kühlkanals 23 und/oder einer zusätzlichen elektrischen Isolation und Abstützung zum Nutgrund mittels Barriereschicht 24 dargestellt. Zur Optimierung des Materialeinsatzes kön nen diese Kühlkanale 23 bzw. Hohlräume auch zum Einbringen eines Tränk- oder Impräg nierharzes verwendet werden. Die Ausführungsbeispiele der Lig. 4a bis 4c zeigen beispielhaft elektrische Leiter 8 mit einer zumindest zweiteilig ausgebildeten Isolations Schicht 9. Die ent sprechenden Ausführungsbeispiele sind jedoch ebenso mit einer einteilig ausgebildeten Isola tionsschicht 9 denkbar.
Die Lig. 4a sowie 4b zeigen jeweils Ausführungsbeispiele in welchen der elektrische Leiter 8, welcher zum Nutgrund 7 der Nut 4 benachbart angeordnet ist, Lortsätze 22 aufweist. In Lig.
4a sind zwei Lortsätze 22 als Teil der Topschicht 17 in Radialrichtung derart ausgebildet, dass das Leiterpaket aus acht elektrischen Leitern innerhalb der Nut 4 verspannt ist. Des Weiteren bilden die beiden Lortsätze 22 in Lig. 4a in Richtung Nutgrund 7 einen in Längsrichtung 11 durchgehend erstreckten U-förmigen Kühlkanal 23 aus. In Fig. 4b ist beispielhaft die Ausbildung eines I-förmigen Fortsatzes 22 als Teil der Top schicht 17 bzw. Isolations Schicht 9 des elektrischen Leiters 8 am Nutgrund 7 benachbart aus gebildet. Auf die dargestellte Weise kommt es zur Ausbildung zweier Kühlkanäle 23.
Die in den Fig. 4a und 4b dargestellten Beispiele sind mit den zuvor angesprochenen Beispie len der Fig. 2a bis 2c sowie Fig. 3 kompatibel, weshalb auf eine Wiederholung der Beschrei bung verzichtet wird und auf die Beschreibung der jeweiligen Figuren verwiesen wird. Ferner ist es möglich derartige Fortsätze 22 ebenso oder auch eigenständig in Radialrichtung 12 zur Abstützung des Leiterpakets in Richtung Zahnkopf 6 auszubilden. In Fig. 4c ist eine weitere für sich eigenständige Ausführungsform dargestellt. Wiederum sind die Isolations schichten 9 der jeweiligen elektrischen Leiter 8 als mehrteilige Isolationsschicht 9 umfassend jeweils eine Basisschicht 15 sowie eine Topschicht 17 dargestellt. Analog zur Beschreibung der Fig. 2a bis 4b ist die Ausbildung einer einteiligen Isolationsschicht 9 denkbar. In der gezeigten Dar stellung in Fig. 4c weisen sämtliche elektrischen Leiter eine im Wesentlichen gleiche Gesam tradialschichtdicke 14 auf. Um die erforderlichen Isolationseigenschaften am Nutgrund 7 des benachbart angeordneten elektrischen Leiters 8 zu gewährleisten, ist eine zusätzliche Barriere schicht 24 vorgesehen. Eine derartige Barriereschicht 24 kann ebenso in Richtung Luftspalt 5 bzw. Zahnkopf 6 vorgesehen sein.
Sämtliche zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf zumindest eine Isola tionsschicht 9, welche aus einem thermoplastischen, bevorzugt im Wesentlichen lösungsmit telfreien, Hochleistungspolymer ausgebildet ist. Ein derartiges Hochleistungspolymer wird bevorzugt aus der Gruppe PAEK, PPSU und PEEK gewählt. Analog dazu können sowohl die Basisschicht und/oder die Topschicht und/oder die Stützschicht und/oder die Barriereschicht aus dieser Gruppe von Polymeren, insbesondere Hochleistungspolymeren, ausgewählt wer den. Besonders bevorzugt weisen die genannten Schichten einen kristallinen Anteil von zu mindest 10 %, besonders bevorzugt 20 %, bis etwa 50 % auf.
Die zumindest eine Isolationsschicht 9 wie auch die Basisschicht 15 und/oder die Topschicht 17 und/oder die Stützschicht 19 werden direkt am elektrischen Leiter 8 bzw. auf der darunter angeordneten Teilschicht der Isolationsschicht 9 angeformt. Die Anformung der zumindest einen Isolationsschicht 9 wird vorzugsweise mittels eines Extrusionsprozess vorgenommen. Derart ausgebildete Isolations schichten 9 weisen bevorzugt eine Haftfestigkeit von mehr als 35 g/mm am elektrischen Leiter 8 auf.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle be merkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten dersel ben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausfüh rungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmals kombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispie len können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen wer den.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verste hen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert darge stellt wurden. Bezugszeichenaufstellung Stator
Blechpaket
Längsachse
Nut
Luftspalt
Zahnkopf
Nutgrund
elektrischer Leiter
Isolationsschicht
Umfang srichtung
Längsrichtung
Radialrichtung
Gesamtumfangsschichtdicke
Gesamtradialschichtdicke
Basisschicht
Basisschichtdicke
Top Schicht
Top schichtdicke
Stütz Schicht
Parallelleiter
Teilleiter
Fortsatz
Kühlkanal
Barriereschicht

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Stator (1) für eine elektrische Maschine, umfassend
ein Blechpaket (2) mit mehreren in Umfangsrichtung (10) um eine Längsachse (3) gleichmä ßig verteilten und in eine Längsrichtung (11) des Blechpakets (2) durchgehend erstreckten Nuten (4) zur Aufnahme von jeweils zumindest zwei elektrischen Leitern (8) mit im Wesent lichen rechteckigen Querschnitt,
die elektrischen Leiter (8) voneinander und gegenüber dem Blechpaket (2) mittels zumindest einer Isolations Schicht (9) in Radialrichtung (12) und Umfangsrichtung (10) ummantelnd, so wie in Längsrichtung (11) zumindest über eine Statorhöhe (1) des Stators (1), isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Isolationsschicht (9) zur fehlerfreien Isolierung ein in Umfangsrichtung (10) und Radialrichtung (12) durchgehend geschlossen und, vorzugsweise mittels eines Extru sionsprozess, direkt auf dem elektrischen Leiter (8) angeformtes thermoplastisches Hochleis tungspolymer umfasst,
wobei die Isolations Schicht (9) zumindest in Umfangsrichtung (10) eine Gesamtumfangs schichtdicke (13) aufweist, welche zumindest das l.5-fache bis 3-fache, bevorzugt l.8-fache bis 2.2-fache, einer Gesamtradialschichtdicke (14) in Radialrichtung (12) des jeweiligen elektrischen Leiters (8) aufweist.
2. Stator (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Isolationsschicht (9) eine Gesamtumfangsschichtdicke t (13) aufweist, welche in Abhängig keit einer vorgebbaren maximalen Betriebsspannung Uop, durch das mathematische Ergebnis der Summe eines Korrekturfaktor d der Größe -175 pm und dem Produkt eines Sicherheits faktors S der Größe 2,00 mit einem Vorfaktor k der Größe 0,25 pm/V mit einem Toleranzfak tor Ctoi im Bereich von 0,90 bis 1,20 und der vorgebbaren maximalen Betriebsspannung Uop im Bereich von 400 V bis 1400 V, berechenbar ist.
3. Stator (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei, bevorzugt vier oder mehr, elektrische Leiter (8) mittels einer zusätzlichen in Radialrich tung (12) und Umfangsrichtung (10) die zumindest zwei elektrischen Leiter (8) zusammen ummantelnden Stützschicht (19) verbunden sind.
4. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtradialschichtdicke (14) der in Radialrichtung (12) an einem Nutgrund (7) und/oder an einem Luftspalt (5) und/oder dem Zahnkopf (6) der jeweiligen Nut (4) benachbart angeordneten elektrischen Leiter (8) in Radialrichtung (12) an der dem Nutgrund (7) bzw. dem Zahnkopf (6) und/oder dem Luftspalt (5) zugewandten Seite zumindest das l.5-fache bis 3-fache, bevorzugt l.8-fache bis 2.2-fache, der Gesamtradialschichtdicke (14) eines dazu in Radialrichtung (12) benachbart angeordneten elektrischen Leiters (8), bevorzugt 200 bis 500 pm, aufweist.
5. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Isolations Schicht (9) eine erste, direkt auf dem elektrischen Leiter (8) angeformte Ba sisschicht (15) mit einer Basis schichtdicke (16) und eine zweite, direkt auf der ersten Basis schicht (15), vorzugsweise mittels eines Extrusionsprozess, angeformte Topschicht (17) mit einer Top schichtdicke (18) umfasst.
6. Stator (1) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Top schichtdicke (18) zumindest in Umfang srichtung (10) zumindest das l.5-fache bis 3-fache, bevorzugt 1.8- fache bis 2.2-fache, der darunterliegenden Basisschichtdicke (16) aufweist, welche Basis schichtdicke (16) bevorzugt im Bereich von 10 bis 200 pm liegt.
7. Stator (1) einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung zumindest eines Parallelleiters (20) zumindest ein elektrischer Leiter (8) zwei, zur Beaufschlagung mit gleicher elektrischer Potentialdifferenz vorgesehene Teilleiter (21) umfasst, wobei die beiden korrespondierenden Teilleiter (21) jeweils mittels der Basisschicht
(15) ummantelt sind und gemeinsam von der Topschicht (17) ummantelt sind.
8. Stator (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Basis schichtdicke
(16) in Radialrichtung (12) zwischen den korrespondierenden Teilleitern (21) 10 bis etwa 100 pm, bevorzugt 10 bis etwa 50 pm, beträgt.
9. Stator (1) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Basis schichtdicke (16) in Radialrichtung (12) an der in jeweils vom korrespondierenden Teilleiter (21) abge wandten Seite in Radialrichtung (12) und/oder Umfangsrichtung (10) eine Basis schichtdicke (16) von zumindest dem 5-fachen bis l5-fachen, bevorzugt lO-fachen bis l2,5-fachen, beson ders bevorzugt von 100 bis 300 mhi, der Basisschichtdicke (16) zwischen den korrespondie renden Teilleitern (21) aufweist.
10. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Isolations Schicht (9) und/oder die Topschicht (17) und/oder die Stütz schicht (19) in Radialrichtung (12) zumindest einseitig zumindest einen, bevorzugt U- oder I- förmigen, Fortsatz (22) zur Bildung zumindest eines in Längsrichtung (11) des Stators (1) er streckten Kühlkanals (23) aufweist.
11. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Luftspalt (5) und/oder dem Zahnkopf (6) der jeweiligen Nut (4) und/oder am Nutgrund (7) und der zumindest einen Isolationsschicht (9) oder der Topschicht (17) oder der Stützschicht (19) des in Radialrichtung (12) benachbart angeordneten elektrischen Leiters (8) und/oder Parallelleiters (20) eine zusätzliche elektrisch isolierende Barriereschicht (24), bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe Polyimid (PI), Polyamideimid (PAI), Polyacryletherke ton (PAEK), Polyphenylensulfon (PPSU), Polyetheretherketon (PEEK), angeordnet ist.
12. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Isolations Schicht (9) eine Haftfestigkeit von mehr als 35 g/mm, be vorzugt mehr als 45 g/mm, nach VDI 2019:2016-04 am elektrischen Leiter (8) aufweist.
13. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Isolations Schicht (9) und/oder die Basisschicht (15) und/oder die Top schicht (17) und/oder die Stützschicht (19) aus einem thermoplastischen, bevorzugt im We sentlichen lösungsmittelfreien, Hochleistungspolymer, bevorzugt aus der Gruppe Polyac ryletherketon (PAEK), Polyphenylensulfon (PPSU), Polyetheretherketon (PEEK), ausgebildet ist.
14. Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Isolations Schicht (9) und/oder die etwaige Basisschicht (15) und/oder die etwaige Topschicht (17) ein thermoplastisches Polymer, insbesondere Hochleistungspoly mer, mit einem kristallinen Anteil von zumindest 10 %, bevorzugt 20 %, bis etwa 50 % auf weist.
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