WO2020260567A1 - Stator für eine elektrische maschine - Google Patents

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WO2020260567A1
WO2020260567A1 PCT/EP2020/068001 EP2020068001W WO2020260567A1 WO 2020260567 A1 WO2020260567 A1 WO 2020260567A1 EP 2020068001 W EP2020068001 W EP 2020068001W WO 2020260567 A1 WO2020260567 A1 WO 2020260567A1
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WO
WIPO (PCT)
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stator
slot
rotor
teeth
radial notch
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/068001
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English (en)
French (fr)
Inventor
Robin MICHELBERGER
Stephan TENNER
Walter Wolf
Stefan Reuter
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Zf Friedrichshafen Ag filed Critical Zf Friedrichshafen Ag
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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
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/48—Fastening of windings on the stator or rotor structure in slots
    • H02K3/487—Slot-closing devices
    • H02K3/493—Slot-closing devices magnetic

Definitions

  • the present invention relates to a stator for an electrical machine.
  • exemplary embodiments relate to a stator for an electrical machine for driving a motor vehicle.
  • Electrical machines have, for example, a stator which can generate a changing magnetic field.
  • the stator can, for example, drive a rotatably mounted rotor which is arranged in a magnetic field generated by the stator.
  • an electric field can also be generated, which interacts with the rotor.
  • This can, for example, lead to a potential difference between the Ro tor and an electrical ground.
  • the potential difference can, for example, lead to a current in bearings, by means of which the rotor can be rotatably supported on a shaft. As a result of such currents, this can lead to electrical erosion of the bearings, for example.
  • the bearings or the electrical machine can be exposed to increased wear.
  • the laid-open specification DE 10 2005 017 517 A1 describes a stator for an electrical machine with stator poles which are connected to one another laterally via a web.
  • the stator poles are paramagnetic in the area of the webs and otherwise ferromagnetic. This can prevent a magnetic short circuit between the stator poles. In order to manufacture such stator poles, they must be heated in the area of the webs.
  • the invention disclosed in the laid-open specification mentioned is based on the object of specifying a stator arrangement for an electrical machine that can be easily constructed and wound.
  • the document US5498917A discloses a concept for reducing a Rastmo mentes of a stator.
  • the stator has an annular section and teeth arranged radially therein. Adjacent teeth each form grooves in which coils can be arranged. Furthermore, the stator has an over- bridging section, which connects radially inner sides of the teeth with one another.
  • the present invention relates to a stator for an electrical machine, which comprises an annular stator yoke with a plurality of teeth arranged in the circumferential direction.
  • the teeth extend radially towards a rotor of the electrical machine and form grooves for receiving coil windings.
  • the stator includes slot closures which close the slots between two adjacent teeth and are arranged radially between the slots and the rotor.
  • a slot closure has at least one radial notch.
  • the electrical machine can, for example, be an electrical machine for driving a motor vehicle and can be operated, for example, by means of direct current, alternating current, three-phase alternating current or pulsed current.
  • the electrical machine can be a so-called internal or external rotor.
  • the rotor In the case of the internal rotor, for example, the rotor is arranged radially inside the stator. With the external rotor, the rotor is located radially outside the stator.
  • the present invention can relate both to an internal rotor and to an external rotor.
  • the annular stator yoke may have an annular portion on which the teeth are arranged.
  • the teeth can be arranged rotationally symmetrical in order to the circumferential direction on the annular section.
  • the teeth form the grooves.
  • a wire of the coils can be passed through the grooves, for example by means of hairpin winding.
  • the stator yoke can be manufactured, for example, by means of a stamping process.
  • the slot closures can, for example, close a side of the slots facing the rotor by connecting them, for example, to two adjacent teeth of the stator yoke.
  • the slot closures can be electrically conductive in order to shield an electric field which can be generated in the stator when the coils are supplied with electric current, for example from the rotor.
  • At least one of the slot closures has the at least one radial notch.
  • the slot closure can have at least one local taper at least locally in the region of the at least one radial notch. Magnetic leakage fluxes can occur at the local taper.
  • the magnetic conductivity of the slot seal in the area of the radial notch can be lower than that of the rest of the slot seal.
  • a stamping process can promote a reduction in the magnetic conductivity of the slot seal during manufacture of the slot seal.
  • the punching process results in a distortion of magnetic domains, for example, in the area of the punched edges of the slot closure and in particular in the area of the radial notch or the local taper. In the area of the distortion, the magnetic conductivity of the slot closure can be so low that, for example, no magnetic short circuit between two coils arranged next to one another can occur.
  • the slot closure can be materially connected to the stator yoke.
  • the stator yoke and the slot closure can, for example, be present together as a one-piece component.
  • the slot closure and the stator yoke can, for example, be cut out of a single workpiece by means of the punching process.
  • the slot closure can, for example, also be materially connected to the stator yoke by means of a joining technique.
  • this can be designed as a laminated core with several stamped metal sheets arranged axially to one another.
  • the stamped metal sheets can, for example, each be made in one piece and, for example, each comprise an axial section of the stator yoke and the nut connection.
  • the punched metal sheets can be screwed, glued or welded together, for example, so that they rest flat against one another in the axial direction. In this way it can be achieved, for example, that the magnetic domains of the stamped metal sheets arranged axially with respect to one another each have different orientations, at least in the region of the local taper.
  • a further reduction in the magnetic flux flowing over the slot closure can be achieved.
  • the radial notch can be arranged on a radially inner side of the slot closure.
  • the radial notch can be arranged on a radially outer side of the slot closure.
  • a web which is formed by making the radial notch in the area of the local tapering of the slot closure, radially adjacent to the coil winding in order to shield the electrical field.
  • the radial notch can thus be arranged on the radially inner or outer side of the radial notch.
  • the slot closure can have the radial notch both on the radially inner side and on the radially outer side, in order, for example, to produce a specific contour of the web for an application of the stator.
  • An arrangement of the radial notch can also have an influence, for example, on a mechanical load-bearing capacity and / or on a magnetic conductivity of the slot closure.
  • the teeth can extend radially inward.
  • the slot closure can here be arranged on a radially inner side of one of the slots.
  • the teeth can extend inward from the annular section of the stator yoke.
  • the slot closure can be arranged on the radially inner side of one of the slots in order to shield the electric field generated by the stator from the rotor arranged radially in the stator.
  • the radial notch can at least partially have a rounded contour.
  • the radial notch can at least partially have a trapezoidal contour.
  • exemplary embodiments of the present invention relate to an electrical machine which comprises a stator as disclosed above with a plurality of coils arranged in the circumferential direction. Furthermore, the electrical machine comprises a rotor which is arranged in the effective area of the coils arranged in the stator.
  • the effective area can be, for example, an area in which the magnetic field which can be generated by the stator has a significant field strength or flux density in order to drive the rotor arranged therein.
  • the area of action can be located, for example, radially inside the stator and, in the case of an external rotor, radially outside the stator.
  • Fig. 1 a stator yoke of a stator
  • 3a shows a schematic illustration of an electric field within a conventional electric machine with a conventional stator
  • 3b shows a schematic illustration of an electrical field within an electrical machine with the stator
  • FIG. 1 a and 1 b a stator 100 for an electrical machine is shown, which can contribute to reducing the electrical discharge machining within the electrical machine.
  • FIG. 1 a shows a complete view of the stator 100 and
  • FIG. 1 b shows an enlarged view of a section “A” of FIG. 1 a.
  • the stator 100 comprises a stator yoke 110 with a plurality of teeth 112 arranged in the circumferential direction.
  • the teeth 112 can, for example, as shown, be arranged on an annular section 111 of the stator yoke 110 and, proceeding therefrom, extend in the radial direction towards a rotor (not shown here) of the electrical machine.
  • stator 100 can be, for example, the stator 100 of what is known as an internal rotor, in which the rotor (not shown here) of the electrical machine can be arranged radially inside the stator 100.
  • the teeth 112 of the stator 100 extend, for example, radially inward.
  • the stator 100 can alternatively be designed for an external rotor, in which the rotor is arranged, for example, radially outside the stator 100 and the teeth 112 are accordingly directed radially outward.
  • the stator 100 can be manufactured from individual sheet-metal lamellae stacked with one another, for example, by means of a stamping process.
  • the stator 100 is shown with therein angeord designated coils 120 which were inserted into the slots 114 of the stator 100, for example by means of hairpin winding.
  • the coils 120 can be supplied with electrical current in order to generate one or more magnetic fields which interact with the rotor.
  • the grooves 114 are closed radially towards the rotor by several slot closures 116.
  • the Nutver circuits 116 are arranged on a radially inner side of the slots 114, so that they adjoin the coils 120 radially on the inside.
  • the slot closures 116 can be materially connected to the teeth 112 of the stator yoke 110 by means of a one-piece design of the stator 100, for example.
  • the slot closures 116 each have a radial notch 118.
  • the radial notch 118 can, as in the embodiment shown, on a radially inner be arranged on the opposite side of the slot seals 116.
  • the slot closures 116 taper in the area of the radial notch 118 in the radial direction to form a web 119. It is advantageous, for example, to design the radial notch 118 such that a radial thickness of the web 119 is between 0.2 mm and 0.5 mm. In further exemplary embodiments of the present invention, the web 119 can have a smaller or larger radial thickness.
  • stray magnetic fluxes can occur when the electrical machine is operated, as a result of which a magnetic flux between the coils 120 can be reduced and thus a magnetic short circuit can be prevented.
  • distortion of magnetic domains can occur in the area of the radial notches 118 and in particular within the webs 119. This reduces the magnetic conductivity of the webs 119 in such a way that, for example, the magnetic short circuit between two adjacent coils 120 is prevented.
  • the stator 100 can be designed as a laminated core with a plurality of stamped laminations arranged axially with respect to one another.
  • the punched metal sheets can be connected to one another in a force-locking manner (for example by means of gluing), form-locking and / or materially (for example by welding or soldering).
  • Each of the metal sheets can thus correspond to an axial section of the stator 100.
  • the stamped sheets can be made in one piece.
  • the punched sheets thus each comprise an axial section of the stator yoke 110 and the slot closures 116. In a punching process for manufacturing the punched sheets, the radial notches 118 of the slot closures 116 can also be punched out.
  • stator 100 By designing the stator 100 as a laminated core, a portion of the magnetic leakage flux in the magnetic flux between adjacent coils 120 in the area of the radial notches 118 and the webs 119 can be increased. Through this the magnetic conductivity of the webs 119 can be additionally reduced in order to prevent the magnetic short circuit of the adjacent coils 120.
  • the coils 120 can, as shown for example in FIGS. 3 a and 3b, generate an electric field (“E field”).
  • E field an electric field
  • FIGS. 3a and 3b each show a section of the electrical or conventional electrical machine, in the area of one of the grooves 114.
  • FIG. 3a A conventional stator of the conventional electrical machine is shown by way of example in FIG. 3a.
  • the stator 100 shown for example in FIG. 3b has a slot closure 1 16, which closes the slot 1 14 on a radially inner side.
  • the electric field that is generated by the coils 120 can emerge from the slot 114 on the radially inner side and interact with a rotor 300. This can lead to an electrical potential difference between the rotor 300 and an electrical ground. The electrical currents generated in this way can cause electrical erosion of the components, in particular the bearings, of the electrical machine.
  • the electric field can be shielded from the rotor 300 by the slot closure 116. This can prevent the rotor 300 from experiencing an electrical potential. Thus, for example, the electrical discharge machining of the components and / or bearings of the electrical machine can be avoided.
  • the slot closure 1 16 can be designed, for example, as an electrical conductor. As described above, the slot closure 1 16 in FIG. 3b has the web 1 19 to avoid the magnetic short circuit between adjacent coils 120, the magnetic conductivity of which can be reduced due to the radial notch 1 18.
  • the radial notches 118 can be designed with regard to their radial extent, their extent in the circumferential direction and / or their shape with regard to their contour, for example depending on application-specific mechanical requirements for the electrical machine.
  • a radial notch 118-1 which is shown in FIG. 4a, has, for example, a concavely rounded contour. At the circumferential ends of the radial A notch 118-1 this has angular edges.
  • a radial notch 118-2 shown in FIG. 4b has a convex rounded contour at each of the peripheral ends.
  • a radial notch shown in FIG. 4c has a trapezoidal contour.
  • a slot lock 116 shown in FIG. 4d has two radial notches 118-4 with a triangular contour in addition to the radial notch 118-3 with a trapezoidal contour, which are arranged on a radially outer side of the slot lock 116 at one of the peripheral ends of the web 119 are.
  • the radial notches 118-1, 118-2, 118-3 and 118-4 can influence, for example, a mechanical load-bearing capacity, an electrical conductivity and / or the magnetic conductivity of the slot closures 116.
  • a mechanical load-bearing capacity an electrical conductivity and / or the magnetic conductivity of the slot closures 116.
  • different application-specific requirements with regard to the mechanical load capacity, electrical and / or magnetic conductivity of the slot closures 116 can be met.
  • the web 119 can stabilize the teeth 112, to which the web 119 is connected, against loads in the axial direction and / or in the circumferential direction.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stator (100) für eine elektrische Maschine, welcher ein ringförmiges Statorjoch (110) mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Zähnen (112) umfasst. Die Zähne (112) erstrecken sich radial zu einem Rotor der elektrischen und bilden Nuten (114) zur Aufnahme von Spulenwicklungen aus. Des Weiteren umfasst der Stator (100) Nutverschlüsse (116), welche die Nuten (114) zwischen zwei benachbarten Zähnen (112) verschließen und radial zwischen den Nuten (114) und dem Rotor angeordnet sind. Ein Nutverschluss (116) weist zumindest eine radiale Einkerbung (118) auf.

Description

Stator für eine elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stator für eine elektrische Maschi ne. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, beziehen sich Ausführungsbeispiele auf einen Stator für eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs.
Elektrische Maschinen weisen beispielsweise einen Stator auf, welcher ein wech selndes magnetisches Feld erzeugen kann. Dadurch kann der Stator beispielsweise einen drehbar gelagerten Rotor antreiben, welcher in einem vom Stator erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist. Beim Erzeugen des magnetischen Feldes kann zusätzlich ein elektrisches Feld erzeugt werden, welches mit dem Rotor wechsel wirkt. Dadurch kann es beispielsweise zu einer Potentialdifferenz zwischen dem Ro tor und einer elektrischen Masse kommen. Die Potentialdifferenz kann beispielsweise zu einem Strom in Lagern führen, mittels derer der Rotor auf einer Welle drehbar ge lagert sein kann. Bedingt durch solche Ströme, kann es hierdurch beispielsweise zu einer Elektroerosion der Lager kommen. Die Lager, beziehungsweise die elektrische Maschine kann dadurch einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt sein.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 017 517 A1 beschreibt einen Stator für eine elektrische Maschine mit Statorpolen, welche jeweils über einen Steg seitlich mitei nander verbunden sind. Die Statorpole sind im Bereich der Stege paramagnetisch und im Übrigen ferromagnetisch. Dadurch kann verhindert werden, dass es zu einem magnetischen Kurzschluss zwischen den Statorpolen kommt. Für eine Fertigung sol cher Statorpole ist eine Erhitzung dieser im Bereich der Stege erforderlich. Der in der genannten Offenlegungsschrift offenbarten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ei ne Statoranordnung für eine elektrische Maschine anzugeben, die einfach aufgebaut und bewickelt werden kann.
Das Dokument US5498917A offenbart ein Konzept zur Reduzierung eines Rastmo mentes eines Stators. Der Stator weist hierfür einen ringförmigen Abschnitt und radial darin angeordnete Zähne auf. Benachbarte Zähne bilden jeweils Nuten aus, in wel chen Spulen angeordnet werden können. Des Weiteren weist der Stator einen Über- brückungsabschnitt auf, welcher radial innenliegende Seiten der Zähne miteinander verbindet.
Daher kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrachtet werden, die Elekt- roerosion innerhalb einer elektrischen Maschine zu reduzieren.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Stator für eine elektrische Maschine, welcher ein ringförmiges Statorjoch mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Zähnen umfasst. Die Zähne erstrecken sich radial zu einem Rotor der elektrischen Maschine hin und bilden Nuten zur Aufnahme von Spu lenwicklungen aus. Des Weiteren umfasst der Stator Nutverschlüsse, welche die Nu ten zwischen zwei benachbarten Zähnen verschließen und radial zwischen den Nu ten und dem Rotor angeordnet sind. Ein Nutverschluss weist zumindest eine radiale Einkerbung auf.
Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine elektrische Maschine zum Antrei ben eines Kraftfahrzeugs sein und zum Beispiel mittels Gleichstrom, Wechselstrom, Dreiphasenwechselstrom oder Impulsstrom betrieben werden.
Bei der elektrischen Maschine kann es sich um einen sogenannten Innen- oder Au ßenläufer handeln. Beim Innenläufer beispielsweise ist der Rotor radial innerhalb des Stators angeordnet. Beim Außenläufer befindet sich der Rotor radial außerhalb des Stators. Die vorliegende Erfindung kann sich sowohl auf einen Innenläufer, als auch auf einen Außenläufer beziehen.
Das ringförmige Statorjoch kann einen ringförmigen Abschnitt aufweisen, an wel chem die Zähne angeordnet sind. Die Zähne können rotationssymmetrisch in Um fangsrichtung zueinander auf dem ringförmigen Abschnitt angeordnet sein. Dadurch bilden die Zähne die Nuten aus. Zur Aufnahme von Spulen, beziehungsweise deren Spulenwicklungen kann ein Draht der Spulen beispielsweise mittels Hairpin-Wicklung durch die Nuten durchgeführt werden. Das Statorjoch kann beispielsweise mittels eines Stanzverfahrens gefertigt werden. Die Nutverschlüsse können, zum Beispiel, eine zum Rotor zugewandte Seite der Nu ten verschließen, indem diese beispielsweise mit zwei benachbart angeordneten Zähnen des Statorjochs verbunden sind. Die Nutverschlüsse können elektrisch lei tend sein, um ein elektrisches Feld, welches bei einer Versorgung der Spulen mit elektrischem Strom im Stator erzeugt werden kann, beispielsweise gegenüber dem Rotor abzuschirmen.
Bei einem magnetischen Kurzschluss in Umfangsrichtung nebeneinander angeord neter Spulen kann es zu Leistungsverlusten beim Betreiben der elektrischen Maschi ne kommen. Um ungewollte magnetische Kurzschlüsse zu vermeiden weist zumin dest einer der Nutverschlüsse die zumindest eine radiale Einkerbung auf. Somit kann der Nutverschluss wenigstens lokal im Bereich der zumindest einen radialen Einker bung zumindest eine lokale Verjüngung aufweisen. An der lokalen Verjüngung kann es zu magnetischen Streuflüssen kommen. Somit kann die magnetische Leitfähigkeit des Nutverschlusses im Bereich der radialen Einkerbung gegenüber einem übrigen Nutverschluss geringer sein.
Zudem kann ein Stanzverfahren bei einer Fertigung des Nutverschlusses eine Redu zierung der magnetischen Leitfähigkeit des Nutverschlusses begünstigen. Durch das Stanzverfahren kommt es beispielsweise im Bereich von Stanzkanten des Nutver schlusses und insbesondere im Bereich der radialen Einkerbung, beziehungsweise der lokalen Verjüngung zu einer Verzerrung magnetischer Domänen. Im Bereich der Verzerrung kann die magnetische Leitfähigkeit des Nutverschlusses dadurch derart gering sein, so dass beispielsweise kein magnetischer Kurzschluss zweier nebenei nander angeordneter Spulen zustande kommen kann.
In manchen Ausführungsbeispielen des Stators kann der Nutverschluss stoffschlüs- sig mit dem Statorjoch verbunden sein.
Das Statorjoch und der Nutverschluss können beispielsweise zusammen als ein ein teiliges Bauteil vorliegen. Der Nutverschluss und das Statorjoch können beispiels weise aus einem einzelnen Werkstück mittels des Stanzverfahrens ausgeschnitten werden. Für eine Fertigung des Stators, welcher den Nutverschluss und das Statorjoch als einteiliges Bauteil umfasst, können beispielsweise weniger Prozess schritte notwendig sein, als bei einer Fertigung des Stators aus jeweils einem einzeln vorliegenden Nutverschluss und Statorjoch. Alternativ kann der Nutverschluss bei spielsweise auch mittels einer Fügetechnik mit dem Statorjoch stoffschlüssig verbun den werden.
In manchen Ausführungsbeispielen des Stators kann dieser als Blechpaket mit meh reren axial zueinander angeordneten gestanzten Blechen ausgeführt sein.
Die gestanzten Bleche können beispielsweise jeweils einteilig ausgeführt sein und beispielsweise jeweils einen axialen Abschnitt des Statorjochs und des Nutver schlusses umfassen. Die gestanzten Bleche können beispielsweise miteinander ver schraubt, verklebt oder verschweißt werden, so dass diese flächig in axialer Richtung aneinander anliegen. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass die magne tischen Domänen der axial zueinander angeordneten gestanzten Bleche zumindest im Bereich der lokalen Verjüngung jeweils unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Dadurch kann gegenüber einer einteiligen Ausführung des Stators eine weitere Re duzierung des über den Nutverschluss fließenden magnetischen Flusses erreicht werden.
In manchen Ausführungsbeispielen des Stators kann die radiale Einkerbung an einer radial inneren Seite des Nutverschlusses angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann in manchen Ausführungsbeispielen des Stators die radiale Einkerbung an einer radial äußeren Seite des Nutverschlusses angeordnet sein.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen einen Steg, welcher sich durch ein Einbringen der radialen Einkerbung im Bereich der lokalen Verjüngung des Nutverschlusses bildet, radial angrenzend an der Spulenwicklung anzuordnen, um ein Abschirmen des elektrischen Feldes zu erwirken. Je näher der Steg an der Spulenwicklung angeord net ist, desto besser kann das elektrische Feld beispielsweise gegenüber dem Rotor abgeschirmt werden. Abhängig davon, ob es sich bei der elektrischen Maschine um einen Innen- oder Außenläufer handelt, kann die radiale Einkerbung somit an der radial inneren oder äußeren Seite der radialen Einkerbung angeordnet sein.
Der Nutverschluss kann sowohl an der radial inneren, als auch an der radial äußeren Seite die radiale Einkerbung aufweisen, um beispielsweise eine für eine Anwendung des Stators spezifische Kontur des Steges zu erzeugen.
Eine Anordnung der radialen Einkerbung kann zudem beispielsweise Einfluss auf eine mechanische Belastbarkeit und/oder auf eine magnetische Leitfähigkeit des Nutverschlusses haben.
In manchen Ausführungsbeispielen des Stators können sich die Zähne radial nach innen erstrecken. Der Nutverschluss kann hierbei an einer radial innenliegenden Sei te einer der Nuten angeordnet sein.
Die Zähne können sich beispielsweise beim Innenläufer, wie im Vorhergehenden bereits erwähnt, von dem ringförmigen Abschnitt des Statorjochs nach innen erstre cken. Hierbei kann der Nutverschluss an der radial innenliegenden Seite einer der Nuten angeordnet sein, um das vom Stator erzeugte elektrische Feld zum radial im Stator angeordneten Rotor abzuschirmen.
In manchen Ausführungsbeispielen des Stators kann die radiale Einkerbung zumin dest teilweise eine abgerundete Kontur aufweisen.
Optional kann die radiale Einkerbung in manchen Ausführungsbeispielen zumindest teilweise eine trapezförmige Kontur aufweisen.
Abhängig von anwendungsspezifischen Anforderungen hinsichtlich einer mechani schen Belastbarkeit und/oder einer Reduzierung der des Nutverschlusses kann sich beispielsweise entweder eine zumindest teilweise abgerundete oder eine zumindest teilweise trapezförmige Kontur als vorteilhaft erweisen. Gemäß einem zweiten Aspekt beziehen sich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf eine elektrische Maschine, welche einen wie im Vorhergehenden of fenbarten Stator mit mehreren in Umfangsrichtung angeordnete Spulen umfasst. Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine einen Rotor, welcher im Wirkungsbereich der im Stator angeordneten Spulen angeordnet ist. Der Wirkungsbereich kann bei spielsweise ein Bereich sein, in welchem das vom Stator erzeugbare magnetische Feld eine signifikante Feldstärke, beziehungsweise Flussdichte aufweist, um den da rin angeordneten Rotor anzutreiben. Bei einem Innenläufer kann sich der Wirkungs bereich beispielsweise radial innerhalb des Stators und bei einem Außenläufer radial außerhalb des Stators befinden.
Die Erfindung wir nachfolgend beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 a Statorjoch eines Stators;
Fig. 1 b Vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts des Stators;
Fig. 2 Stator mit darin angeordneten Spulen und Nutverschlüssen;
Fig. 3a Schematische Darstellung eines elektrischen Feldes innerhalb einer herkömmlichen elektrischen Maschine mit herkömmlichem Stator;
Fig. 3b Schematische Darstellung eins elektrischen Feldes innerhalb einer elektrischen Maschine mit dem Stator;
Fig. 4a Radiale Einkerbung mit abgerundeter konkaver Kontur;
Fig. 4b Radiale Einkerbung mit teilweise konkav abgerundeter und teilweise konvex abgerundeter Kontur;
Fig. 4c Radiale Einkerbung mit trapezförmiger Kontur; und
Fig. 4d Nutverschluss mit radialen Einkerbungen an einer radial inneren und einer radial äußeren Seite.
In Fig. 1 a und 1 b ist ein Stator 100 für eine elektrische Maschine dargestellt, welcher zur Reduzierung der Elektroerosion innerhalb der elektrischen Maschine beitragen kann. Fig. 1a zeigt eine Komplettansicht des Stators 100 und Fig. 1 b eine vergrößer te Ansicht eines Ausschnitts„A“ der Fig. 1 a. Der Stator 100 umfasst ein Statorjoch 110 mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Zähnen 112. Die Zähne 112 können beispielsweise, wie dargestellt, an einem ringförmigen Abschnitt 111 des Statorjochs 110 angeordnet sein und sich davon ausgehend in radialer Richtung zu einem Rotor (hier nicht gezeigt) der elektrischen Maschine hin erstrecken. Im gezeig ten Beispiel kann es sich beispielsweise um den Stator 100 eines sogenannten In nenläufers handeln, bei welchem der Rotor (hier nicht gezeigt) der elektrischen Ma schine radial innerhalb des Stators 100 angeordnet sein kann. Somit erstrecken sich die Zähne 112 des Stators 100 beispielsweise radial nach innen. Grundsätzlich kann der Stator 100 alternativ für einen Außenläufer ausgebildet sein, bei welchem der Rotor beispielsweise radial außerhalb des Stators 100 angeordnet ist und wobei die Zähne 112 entsprechend nach radial außen gerichtet sind. Der Stator 100 kann bei spielsweise mittels eines Stanzverfahrens aus einzelnen zueinander gestapelten Blechlamellen gefertigt werden.
Dadurch, dass die Zähne 112 einen Abstand zueinander aufweisen, bilden diese Nu ten 114 zur Aufnahme von Spulen aus. In Fig. 2 ist der Stator 100 mit darin angeord neten Spulen 120 dargestellt, welche beispielsweise mittels Hairpin-Wicklung in die Nuten 114 des Stators 100 eingeführt wurden. Zum Antreiben des Rotors können die Spulen 120 mit elektrischem Strom versorgt werden, um ein oder mehrere Magnet felder zu erzeugen, welche mit dem Rotor wechselwirken.
Die Nuten 114 sind durch mehrere Nutverschlüsse 116 radial zum Rotor hin ver schlossen. Im Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Nutver schlüsse 116 an einer radial inneren Seite der Nuten 114 angeordnet, so dass diese radial innen an die Spulen 120 angrenzen. Die Nutverschlüsse 116 können bei spielsweise mittels einer einteiligen Ausführung des Stators 100 stoffschlüssig mit den Zähnen 112 des Statorjochs 110 verbunden sein.
Bei einem magnetischen Kurzschluss benachbarter Spulen 120 kann es zu Leis tungsverlusten der elektrischen Maschine kommen. Um beispielsweise den magneti schen Kurzschluss zwischen den im Stator 100 angeordneten Spulen 120, bezie hungsweise zwischen den von diesen erzeugten Magnetfeldern, zu verhindern, wei sen die Nutverschlüsse 116 jeweils eine radiale Einkerbung 118 auf. Die radiale Ein kerbung 118 kann, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, an einer radial innenlie- genden Seite der Nutverschlüsse 116 angeordnet sein. Dadurch verjüngen sich die Nutverschlüsse 116 im Bereich der radialen Einkerbung 118 in radialer Richtung zu einem Steg 119. Es hat sich beispielsweise als vorteilhaft die radiale Einkerbung 118 derart auszuführen, so dass eine radiale Stärke des Steges 119 zwischen 0,2 mm und 0,5 mm beträgt. In weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Steg 119 eine geringere oder größere radiale Stärke aufweisen.
Im Bereich der radialen Einkerbungen 118 kann es beim Betreiben der elektrischen Maschine zu magnetischen Streuflüssen kommen, wodurch ein magnetischer Fluss zwischen den Spulen 120 reduziert und damit ein magnetischer Kurzschluss verhin dert werden kann.
Zudem kann es bei der Fertigung des Stators 100 mittels des Stanzverfahrens im Bereich der radialen Einkerbungen 118 und insbesondere innerhalb der Stege 1 19 zu einer Verzerrung magnetischer Domänen kommen. Hierdurch verringert sich eine magnetische Leitfähigkeit der Stege 119 derart, so dass beispielsweise der magneti sche Kurzschluss zweier benachbarter Spulen 120 verhindert wird.
Der Stator 100 kann als Blechpaket mit mehreren axial zueinander angeordneten gestanzten Blechen ausgeführt werden. Die gestanzten Bleche können beispielswei se kraftschlüssig (zum Beispiel mittels Verkleben), formschlüssig und/oder stoff schlüssig (zum Beispiel durch Verschweißen oder Löten) miteinander verbunden sein. Jedes der Bleche kann somit einem axialen Abschnitt des Stators 100 entspre chen. Die gestanzten Bleche können einteilig ausgeführt sein. Die gestanzten Bleche umfassen somit jeweils einen axialen Abschnitt des Statorjochs 110 und der Nutver schlüsse 116. Bei einem Ausstanzprozess zur Fertigung der gestanzten Bleche kann zudem ein Ausstanzen der radialen Einkerbungen 118 der Nutverschlüsse 116 erfol gen.
Durch eine Ausführung des Stators 100 als Blechpaket kann ein Anteil des magneti schen Streuflusses am magnetischen Fluss zwischen benachbarten Spulen 120 im Bereich der radialen Einkerbungen 118 und der Stege 119 erhöht werden. Hierdurch kann die magnetische Leitfähigkeit der Stege 1 19 zusätzlich verringert werden, um den magnetischen Kurzschluss der benachbarten Spulen 120 zu verhindern.
Die Spulen 120 können, wie beispielsweise in Fig. 3a und Fig. 3b dargestellt, ein elektrisches Feld („E-Feld“) erzeugen. Zur einfacheren Veranschaulichung zeigen Fig. 3a und 3b jeweils einen Ausschnitt der elektrischen, beziehungsweise herkömm lichen elektrischen Maschine, im Bereich jeweils einer der Nuten 1 14.
In Fig. 3a ist beispielhaft ein herkömmlicher Stator der herkömmlichen elektrischen Maschine gezeigt. Dem gegenüber weist der beispielsweise in Fig. 3b dargestellte Stator 100 einen Nutverschluss 1 16 auf, welcher die Nut 1 14 an einer radial inneren Seite verschließt.
Beim Betreiben der in Fig. 3a dargestellten herkömmlichen elektrischen Maschine kann das elektrische Feld, welches von den Spulen 120 erzeugt wird an der radial inneren Seite aus der Nut 1 14 austreten und mit einem Rotor 300 wechselwirken. Hierbei kann es zu einer elektrischen Potentialdifferenz des Rotors 300 gegenüber einer elektrischen Masse kommen. Hierbei erzeugte elektrische Ströme können die Elektroerosion der Bauteile, insbesondere der Lager, der elektrischen Maschine ver ursachen.
Bei der elektrischen Maschine mit dem Stator 100 kann das elektrische Feld durch den Nutverschluss 1 16 gegenüber dem Rotor 300 abgeschirmt werden. Dadurch kann verhindert werden, dass der Rotor 300 ein elektrisches Potential erfährt. Somit kann, zum Beispiel, die Elektroerosion der Bauteile und/oder Lager der elektrischen Maschine vermieden werden. Um das elektrische Feld der Spulen 120 abzuschir men, kann der Nutverschluss 1 16 beispielsweise als elektrischer Leiter ausgeführt sein. Wie vorhergehend beschrieben weist der in Fig. 3b Nutverschluss 1 16 zur Ver meidung des magnetischen Kurzschlusses zwischen benachbarten Spulen 120 den Steg 1 19 auf, dessen magnetische Leitfähigkeit aufgrund der radialen Einkerbung 1 18 reduziert sein kann. Die radialen Einkerbungen 118 können hinsichtlich ihrer radialen Erstreckung, ihrer Erstreckung in Umfangsrichtung und/oder ihrer Ausprägung bezüglich ihrer Kontur beispielsweise abhängig von anwendungsspezifischen mechanischen Anforderun gen an die elektrische Maschine ausgebildet sein. Fig. 4a, Fig. 4b, Fig. 4c und Fig.
4d zeigen jeweils Ausschnitte des Stators 100 mit dem Statorjoch 110, den daran angeordneten Zähnen 112, den Nuten 114 und den Nutverschlüssen 116.
Eine radiale Einkerbung 118-1 , welche in Fig. 4a dargestellt ist, weist beispielsweise eine konkav abgerundete Kontur auf. An umfangsseitigen Enden der radialen Ein kerbung 118-1 weist diese eckige Kanten auf.
Gegenüber der in Fig. 4a dargestellten radialen Einkerbung 118-1 weist eine in Fig. 4b dargestellte radiale Einkerbung 118-2 an den umfangsseitigen Enden jeweils eine konvex abgerundete Kontur auf.
Eine in Fig. 4c dargestellte radiale Einkerbung weist eine trapezförmige Kontur auf. Ein in Fig. 4d dargestellter Nutverschluss 116 weist zu der radialen Einkerbung 118-3 mit trapezförmiger Kontur zusätzlich zwei radiale Einkerbungen 118-4 mit dreieckiger Kontur auf, welche an einer radial äußeren Seite des Nutverschlusses 116 jeweils an einem der umfangsseitigen Ende des Steges 119 angeordnet sind.
Die radialen Einkerbungen 118-1 , 118-2, 118-3 und 118-4 können beispielsweise eine mechanische Belastbarkeit, eine elektrische Leitfähigkeit und/oder die magneti sche Leitfähigkeit der Nutverschlüsse 116 beeinflussen. Dadurch können beispiels weise unterschiedliche anwendungsspezifische Anforderungen hinsichtlich der me chanischen Belastbarkeit, elektrischen und/oder magnetischen Leitfähigkeit der Nut verschlüsse 116 erfüllt werden. Beispielsweise kann der Steg 119 die Zähne 112, mit welchen der Steg 119 verbunden ist, gegen Belastungen in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung stabilisieren.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher de taillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder meh reren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des ande- ren Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Bezuqszeichen Stator
Statorjoch
Ringförmiger Abschnitt
Zahn
Nut
Nutverschluss
Radiale Einkerbung
-1 Radiale Einkerbung mit konvex abgerundeter Kontur
-2 Radiale Einkerbung mit konvex und konkav abgerundeter Kontur-3 Radiale Einkerbung mit trapezförmiger Kontur
-4 Radiale Einkerbung mit dreieckiger Kontur
Steg
Spule

Claims

Patentansprüche
1. Stator (100) für eine elektrische Maschine, umfassend:
ein ringförmiges Statorjoch (110) mit mehreren in Umfangsrichtung angeord neten Zähnen (112), wobei sich die Zähne (112) radial zu einem Rotor der elektrischen Maschine hin erstrecken und Nuten (114) zur Aufnahme von Spulenwicklungen ausbilden; und
die Nuten (114) zwischen zwei benachbarten Zähnen (112) verschließende Nutverschlüsse (116), welche radial zwischen den Nuten (114) und dem Ro tor angeordnet sind, wobei ein Nutverschluss (116) zumindest eine radiale Einkerbung (118) aufweist.
2. Stator (100) gemäß Anspruch 1 , wobei der Nutverschluss (116) stoffschlüssig mit dem Statorjoch (110) verbunden ist.
3. Stator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator
(100) als Blechpaket mit mehreren axial zueinander angeordneten gestanz ten Blechen ausgeführt ist.
4. Stator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale
Einkerbung (118) an einer radial inneren Seite des Nutverschlusses (116) angeordnet ist.
5. Stator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale
Einkerbung (118) an einer radial äußeren Seite des Nutverschlusses (116) angeordnet ist.
6. Stator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die
Zähne (112) radial nach innen erstrecken, und wobei der Nutverschluss (116) an einer radial innenliegenden Seite einer der Nuten (114) angeordnet ist.
7. Stator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale
Einkerbung (118) zumindest teilweise eine abgerundete Kontur aufweist. 8. Stator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale Einkerbung (118) zumindest teilweise eine trapezförmige Kontur aufweist.
9. Elektrische Maschine, umfassend:
einen Stator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 mit mehreren in Um fangsrichtung angeordnete Spulen (120); und
einen Rotor, welcher im Wirkungsbereich der im Stator (100) angeordneten Spulen (120) angeordnet ist.
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