WO2021099135A1 - Stator für eine elektrische maschine - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a stator for an electrical machine with a winding designed as a plug-in winding, which comprises plug-in elements which are arranged in stator slots.
- the invention also relates to a method for producing such a stator.
- a machine component for an electrical machine with a winding designed as a plug-in winding is known from the German patent application DE 102014221 951 A1, the plug-in elements each being U-shaped with a bridge section and two leg sections protruding therefrom.
- the object of the invention is to simplify the production and / or assembly of a stator for an electrical machine with a winding designed as a plug-in winding, which comprises plug-in elements which are arranged in stator slots.
- the object is achieved in that the plug-in elements are designed as conductor bars which are connected to first ends outside the stator slots in a first switching device and which are connected to second ends outside the stator slots in a second switching device.
- the conductor bars preferably comprise elongated conductor bodies that extend straight, that is, not curved, extend through the stator slots. The opposite ends of the conductor bars protrude from the stator slots.
- the current routing in the conductor bars of the stator can be optimized through the claimed interconnection.
- a preferred exemplary embodiment of the stator is characterized in that at least one of the switching devices is designed as a simple interconnection plate.
- the interconnection plate includes, for example, an overmolded lead frame.
- a complex circuit board or interconnection plate is divided into two simple circuit boards or interconnection plates.
- stator with the at least one interconnection plate, preferably with two interconnection plates requires less axial installation space than a conventional end winding. This is particularly advantageous when the electrical machine is used in a tight installation space, for example in a motor vehicle with a fuel cell drive.
- the first switching device advantageously comprises connection connections by means of which the conductor bars in the first switching device are connected to external connections of the stator.
- the second switching device comprises at least one defined star point in which the conductor bars in the second switching device are connected. In this way, the different functions of a complex conventional switching device are distributed between the two switching devices.
- At least one of the switching devices comprises at least one insert which performs at least one additional function.
- the insert is used, for example, advantageously to cool the switching device.
- the insert for electrical insulation in the Serving switching device When viewed in section, the insert is advantageously designed as an angle profile.
- At least one of the switching devices comprises at least one sensor device.
- the sensor device comprises, for example, a temperature sensor and / or a Hall sensor.
- At least one of the switching devices comprises at least one opening which enables contact to be made to the outside. This considerably simplifies the representation of different connections of the stator. The contact-making effort can be reduced particularly advantageously through the openings.
- stator is delimited on the outside by a sleeve. This has the advantage that the otherwise necessary encapsulation of the stator can be omitted.
- the above-mentioned object is alternatively or additionally achieved in that the conductor bars are connected with their first ends outside the stator slots in the first switching device, the conductor bars with their second ends outside the stator slots in the second Switching device are interconnected. This interconnection allows the current conduction in the conductors of the stator to be optimized.
- the invention further relates to a conductor bar, a sleeve, an insert part and / or a switching device, in particular an interconnection plate, for a previously described stator.
- the named parts can be traded separately.
- the invention also relates to an electrical machine with a previously described stator. The electrical machine is used particularly advantageously to electrically drive an air compressor in a fuel cell system.
- FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of an air compressor which is driven by an electrical machine with a rotor and a stator;
- FIG. 2 shows a similar stator as in FIG. 1 in half section, with plug-in elements designed as conductor bars outside the stator slots being connected in a first switching device and in a second switching device.
- FIG. 1 An air compressor 1, which is driven by an electrical machine 2, is shown schematically in FIG.
- the air compressor 1 is used in a fuel cell system (not shown) to provide air that is supplied to a fuel cell.
- the electrical machine 2 comprises a rotor 3 which can be rotated in a stator 4.
- the stator 4 comprises a stator slot 6, which is only indicated in FIG. 1.
- a winding 10 of the stator 4 is designed as a plug-in winding with conductor bars 11, 12, 13.
- the conductor bars 11, 12, 13 represent plug-in elements of the winding 10, which is designed as a plug-in winding.
- the opposite ends of the conductor bars 11, 12 protrude from the stator slot 6 on opposite sides.
- the ends of the conductor bars 11, 12, 13 on the left in FIG. 1 are arranged in a connection region 7.
- the right-hand ends of the conductor bars 11, 12, 13 in FIG. 1 are shown in FIG a connection area 8 is arranged.
- the stator 4 is delimited to the outside by a housing 5.
- FIG. 2 an electrical machine 22 with a rotor 23, indicated only by an axis of rotation, and a stator 24 is shown in half-section.
- the stator 24 is accommodated in a housing 25.
- Plug-in elements designed as a plug-in winding 30 of the stator 24 extend through a stator slot area 26 as conductor bars 31, 32, 33.
- the opposite ends of the conductor bars 31 to 33 protrude from the stator slot area 26 into connection areas 27, 28, radially outside the stator slot area 26 and the connection areas 27, 28, the stator 24 is delimited by a sleeve 29.
- the ends of the conductor bars 31 to 33 on the left in FIG. 2 are connected in a first switching device 41.
- the ends of the conductor bars 31 to 33 on the right in FIG. 2 are connected in a second switching device 42.
- the first switching device 41 comprises a simple interconnection plate 43 with external connections u, v, w.
- the interconnection plate or circuit board 43 comprises an overmolded lead frame (not shown) via which the conductor bars 31 to 33 are electrically connected to the connections u, v, w.
- the interconnection plate 43 is advantageously combined with an insert 51. Heat can advantageously be dissipated from the interior of the interconnection plate 43 via the insert 51. Depending on the design of the insert 51, an otherwise required encapsulation of the stator 24 can be omitted at this point.
- Line symbols 45 indicate at the bottom of FIG. 2 how the conductor bars 31 to 33 can be connected to the connections u, v, w.
- a symbol 46 in FIG. 2 at the bottom indicates that the conductor bars 31 to 33 are connected in the second switching device 42 at a star point which is integrated in the connection plate 44.
- the interconnection plate 44 is also advantageously designed as an extrusion-coated lead frame.
- An insert 52 is integrated into the interconnection plate 44.
- the insert 52 is used, for example, to improve the stability and / or cooling of the second switching device 42.
- the interconnection plate 44 further comprises openings 55 which enable contact to be made to the outside, for example by welding.
- a sensor device 54 is integrated in the interconnection plate 44.
- the sensor device 54 can be fixed in a stable manner in the switching device 42 in a simple manner.
- a dimension line 57 in FIG. 2 indicates that the use of the switching devices 41, 42 requires less axial installation space.
- the assembly of the interconnection plates 43, 44 can be done in a simple manner by plugging in and putting on. The effort for contacting is significantly lower than with conventional complex winding heads.
Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stator (24) für eine elektrische Maschine (22) mit einer als Steckwicklung ausgeführten Wicklung (30), die Steckelemente umfasst, die in Statornuten angeordnet sind. Um die Herstellung und/oder Montage des Stators (24) zu vereinfachen, sind die Steckelemente als Leiterstäbe (31-33) ausgeführt, die mit ersten Enden außerhalb der Statornuten in einer ersten Schalteinrichtung (41) verschaltet sind, und die mit zweiten Enden außerhalb der Statornuten in einer zweiten Schalteinrichtung (42) verschaltet sind.
Description
Beschreibung
Titel
Stator für eine elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine mit einer als Steckwicklung ausgeführten Wicklung, die Steckelemente umfasst, die in Statornuten angeordnet sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Stators.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102014221 951 Al ist eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine mit einer als Steckwicklung ausgebildeten Wicklung bekannt, wobei die Steckelemente jeweils U-förmig mit einem Brückenabschnitt und zwei davon abstehenden Schenkelabschnitten ausgebildet sind.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung und/oder Montage eines Stators für eine elektrische Maschine mit einer als Steckwicklung ausgeführten Wicklung, die Steckelemente umfasst, die in Statornuten angeordnet sind, zu vereinfachen.
Die Aufgabe ist bei einem Stator für eine elektrische Maschine mit einer als Steckwicklung ausgeführten Wicklung, die Steckelemente umfasst, die in Statornuten angeordnet sind, dadurch gelöst, dass die Steckelemente als Leiterstäbe ausgeführt sind, die mit ersten Enden außerhalb der Statornuten in einer ersten Schalteinrichtung verschaltet sind, und die mit zweiten Enden außerhalb der Statornuten in einer zweiten Schalteinrichtung verschaltet sind.
Die Leiterstäbe umfassen vorzugsweise längliche Leiterkörper, die sich
geradlinig, das heißt nicht gebogen, durch die Statornuten hindurch erstrecken. Mit ihren entgegengesetzten Enden ragen die Leiterstäbe aus den Statornuten heraus. Durch die beanspruchte Verschaltung kann die Stromführung in den Leiterstäben des Stators optimiert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Stator ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schalteinrichtungen als einfache Verschalteplatte ausgeführt ist. Die Verschalteplatte umfasst zum Beispiel ein umspritztes Stanzgitter. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine komplexe Schaltplatte oder Verschalteplatte in zwei einfache Schaltplatten oder Verschalteplatten aufgeteilt. Dadurch kann der axiale Bauraum, den die elektrische Maschine mit dem Stator benötigt, vorteilhaft reduziert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Stator ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mit der mindestens einen Verschalteplatte, vorzugsweise mit zwei Verschalteplatten, einen geringeren axialen Bauraum als ein herkömmlicher Wickelkopf benötigt. Das wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn die elektrische Maschine in einem knapp bemessenen Bauraum eingesetzt wird, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellenantrieb. Die erste Schalteinrichtung umfasst vorteilhaft Anschlussverbindungen, durch welche die Leiterstäbe in der ersten Schalteinrichtung mit Außenanschlüssen des Stators verschaltet sind.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Stator ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalteinrichtung mindestens einen definierten Sternpunkt umfasst, in dem die Leiterstäbe in der zweiten Schalteinrichtung verschaltet sind. So werden die unterschiedlichen Funktionen einer komplexen herkömmlichen Schalteinrichtung auf die beiden Schalteinrichtungen verteilt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Stator ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schalteinrichtungen mindestens ein Einlegeteil umfasst, das mindestens eine Zusatzfunktion ausübt. Das Einlegeteil dient zum Beispiel vorteilhaft zur Kühlung der Schalteinrichtung. Alternativ oder zusätzlich kann das Einlegeteil zur elektrischen Isolierung in der
Schalteinrichtung dienen. Das Einlegeteil ist vorteilhaft, im Schnitt betrachtet, als Winkelprofil ausgeführt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Stator ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schalteinrichtungen mindestens eine Sensoreinrichtung umfasst. Durch die Integration der Sensoreinrichtung in die Schalteinrichtung kann der konstruktive Aufwand für die Herstellung des Stators deutlich reduziert werden. Die Sensoreinrichtung umfasst zum Beispiel einen Temperatursensor und/oder einen Hallsensor.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Stator ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schalteinrichtungen mindestens eine Öffnung umfasst, die eine Kontaktierung nach außen ermöglicht. Dadurch wird die Darstellung von unterschiedlichen Anschlüssen des Stators erheblich vereinfacht. Besonders vorteilhaft kann der Kontaktierungsaufwand durch die Öffnungen reduziert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Stator ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stator außen von einer Hülse begrenzt ist. Das liefert den Vorteil, dass ein ansonsten erforderlicher Verguss des Stators gegebenenfalls entfallen kann.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Stators ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Leiterstäbe mit ihren ersten Enden außerhalb der Statornuten in der ersten Schalteinrichtung verschaltet werden, wobei die Leiterstäbe mit ihren zweiten Enden außerhalb der Statornuten in der zweiten Schalteinrichtung verschaltet werden. Durch diese Verschaltung kann die Stromführung in den Leitern des Stators optimiert werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Leiterstab, eine Hülse, ein Einlegeteil und/oder eine Schalteinrichtung, insbesondere eine Verschalteplatte, für einen vorab beschriebenen Stator. Die genannten Teile sind separat handelbar.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Maschine mit einem vorab beschriebenen Stator. Die elektrische Maschine dient besonders vorteilhaft zum elektrischen Antrieb eines Luftverdichters in einem Brennstoffzellensystem.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Luftverdichters, der durch eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator angetrieben ist;
Figur 2 einen ähnlichen Stator wie in Figur 1 im Halbschnitt, wobei als Leiterstäbe ausgeführte Steckelemente außerhalb der Statornuten in einer ersten Schalteinrichtung und in einer zweiten Schalteinrichtung verschaltet sind.
In Figur 1 ist ein Luftverdichter 1 schematisch dargestellt, der durch eine elektrische Maschine 2 angetrieben ist. Der Luftverdichter 1 dient in einem (nicht dargestellten) Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von Luft, die einer Brennstoffzelle zugeführt wird.
Die elektrische Maschine 2 umfasst einen Rotor 3, der in einem Stator 4 drehbar ist. Der Stator 4 umfasst eine in Figur 1 nur angedeutete Statornut 6. Eine Wicklung 10 des Stators 4 ist als Steckwicklung mit Leiterstäben 11, 12, 13 ausgeführt. Die Leiterstäbe 11, 12, 13 stellen Steckelemente der als Steckwicklung ausgeführten Wicklung 10 dar.
Die Leiterstäbe 11, 12 ragen mit ihren entgegengesetzten Enden auf entgegengesetzten Seiten aus der Statornut 6 heraus. Die in Figur 1 linken Enden der Leiterstäbe 11, 12, 13 sind in einem Verbindungsbereich 7 angeordnet. Die in Figur 1 rechten Enden der Leiterstäbe 11, 12, 13 sind in
einem Verbindungsbereich 8 angeordnet. Nach außen wird der Stator 4 von einem Gehäuse 5 begrenzt.
In Figur 2 ist eine elektrische Maschine 22 mit einem nur durch eine Drehachse angedeuteten Rotor 23 und einem Stator 24 im Halbschnitt dargestellt. Der Stator 24 ist in einem Gehäuse 25 untergebracht.
Durch einen Statornutbereich 26 erstrecken sich als Leiterstäbe 31, 32, 33 ausgeführte Steckelemente einer als Steckwicklung ausgeführten Wicklung 30 des Stators 24. Die Leiterstäbe 31 bis 33 ragen mit ihren entgegengesetzten Enden aus dem Statornutbereich 26 heraus in Verbindungsbereiche 27, 28. Radial außerhalb des Statornutbereichs 26 und der Verbindungsbereiche 27, 28 wird der Stator 24 von einer Hülse 29 begrenzt.
Die in Figur 2 linken Enden der Leiterstäbe 31 bis 33 sind in einer ersten Schalteinrichtung 41 verschaltet. Die in Figur 2 rechten Enden der Leiterstäbe 31 bis 33 sind in einer zweiten Schalteinrichtung 42 verschaltet.
Die erste Schalteinrichtung 41 umfasst eine einfache Verschalteplatte 43 mit Außenanschlüssen u, v, w. Die Verschalteplatte oder Schaltplatte 43 umfasst ein (nicht dargestelltes) umspritztes Stanzgitter, über das die Leiterstäbe 31 bis 33 elektrisch mit den Anschlüssen u, v, w verbunden sind.
Die Verschalteplatte 43 ist vorteilhaft mit einem Einlegeteil 51 kombiniert. Über das Einlegeteil 51 kann vorteilhaft Wärme aus dem Inneren der Verschalteplatte 43 abgeführt werden. Je nach Ausführung des Einlegeteils 51 kann gegebenenfalls ein ansonsten benötigter Verguss des Stators 24 an dieser Stelle entfallen. Durch Leitungssymbole 45 ist in Figur 2 unten angedeutet, wie die Leiterstäbe 31 bis 33 mit den Anschlüssen u, v, w verschaltet werden können.
Durch ein Symbol 46 in Figur 2 unten ist angedeutet, dass die Leiterstäbe 31 bis 33 in der zweiten Schalteinrichtung 42 in einem Sternpunkt verschaltet sind, der in die Verschalteplatte 44 integriert ist. Die Verschalteplatte 44 ist vorteilhaft ebenfalls als umspritztes Stanzgitter ausgeführt.
Ein Einlegeteil 52 ist in die Verschalteplatte 44 integriert. Das Einlegeteil 52 dient zum Beispiel dazu, die Stabilität und/oder Kühlung der zweiten Schalteinrichtung 42 zu verbessern. Die Verschalteplatte 44 umfasst des Weiteren Öffnungen 55, die eine Kontaktierung nach außen ermöglichen, beispielsweise durch Schweißen.
Darüber hinaus ist eine Sensoreinrichtung 54 in die Verschalteplatte 44 integriert. Die Sensoreinrichtung 54 kann auf einfache Art und Weise stabil in der Schalteinrichtung 42 fixiert werden.
Durch eine Bemaßungslinie 57 ist in Figur 2 angedeutet, dass durch die Verwendung der Schalteinrichtungen 41, 42 weniger axialer Bauraum benötigt wird. Die Montage der Verschalteplatten 43, 44 kann auf einfache Art und Weise durch Einstecken und Aufsetzen erfolgen. Der Aufwand für die Kontaktierung ist deutlich geringer als bei herkömmlichen komplexen Wicklungsköpfen.
Claims
1. Stator (4;24) für eine elektrische Maschine (2;22) mit einer als Steckwicklung ausgeführten Wicklung (10;30), die Steckelemente umfasst, die in Statornuten (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckelemente als Leiterstäbe (31-33) ausgeführt sind, die mit ersten Enden außerhalb der Statornuten (6) in einer ersten Schalteinrichtung (41) verschaltet sind, und die mit zweiten Enden außerhalb der Statornuten (6) in einer zweiten Schalteinrichtung (42) verschaltet sind.
2. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schalteinrichtungen (41,42) als einfache Verschalteplatte (43,44) ausgeführt ist.
3. Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (24) mit der mindestens einen Verschalteplatte (43,44), vorzugsweise mit zwei Verschalteplatten (43,44), einen geringeren axialen Bauraum als ein herkömmlicher Wickelkopf benötigt.
4. Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schalteinrichtung (42) mindestens einen definierten Sternpunkt (46) umfasst, in dem die Leiterstäbe (31-33) in der zweiten Schalteinrichtung (42) verschaltet sind.
5. Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schalteinrichtungen (41,42) mindestens ein Einlegeteil (51,52) umfasst, das mindestens eine Zusatzfunktion ausübt.
6. Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schalteinrichtungen (41,42) mindestens eine Sensoreinrichtung (54) umfasst.
7. Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schalteinrichtungen (41,42) mindestens eine Öffnung (55) umfasst, die eine Kontaktierung nach außen ermöglicht.
8. Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (24) außen von einer Hülse (29) begrenzt ist.
9. Verfahren zum Herstellen eines Stators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstäbe (31-33) mit ihren ersten Enden außerhalb der Statornuten (6) in der ersten Schalteinrichtung (41) verschaltet werden, wobei die Leiterstäbe (31-33) mit ihren zweiten Enden außerhalb der Statornuten (6) in einer zweiten Schalteinrichtung (42) verschaltet werden.
10. Leiterstab (31-33), Hülse (29), Einlegeteil (51,52) und/oder Schalteinrichtung
(41,42), insbesondere Verschalteplatte (43,44), für einen Stator (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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