WO2022128695A1 - Stator für eine elektrische maschine sowie elektrische maschine zum antreiben eines fahrzeugs - Google Patents

Stator für eine elektrische maschine sowie elektrische maschine zum antreiben eines fahrzeugs Download PDF

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WO2022128695A1
WO2022128695A1 PCT/EP2021/084852 EP2021084852W WO2022128695A1 WO 2022128695 A1 WO2022128695 A1 WO 2022128695A1 EP 2021084852 W EP2021084852 W EP 2021084852W WO 2022128695 A1 WO2022128695 A1 WO 2022128695A1
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stator
recesses
arrangement
stator core
circumferential direction
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PCT/EP2021/084852
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Inventor
Boris Dotz
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Valeo Siemens Eautomotive Germany Gmbh
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    • 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
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    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems

Definitions

  • the present invention relates to a stator for an electric machine, the stator comprising a distributed stator winding having N number of phase windings, P number of pole pairs and a stator core in which slots are formed, the stator winding being arranged in the slots; wherein the stator core is divided into 2 P N winding zones which follow one another uniformly in the circumferential direction; wherein the stator core has a plurality of recesses extending in the axial direction from a first face of the stator core to a second face of the stator core opposite to the first face; wherein the recesses form at least one arrangement of recesses that follow one another in the circumferential direction and in each case at least two recesses of the arrangement belong to one of the winding zones; each pair of circumferentially adjacent recesses belonging to the same winding zone being circumferentially spaced apart by a first angular distance; each pair of circumferentially adjacent recesses belonging to different winding zones being circumferentially spaced apart by a second ang
  • the invention relates to an electric machine for driving a vehicle.
  • a stator for a rotary electric machine comprising an annular stator core having a plurality of pairs of slots for a first phase, a plurality of pairs of slots for a second phase and a plurality of slots for a third phases which are provided sequentially and repeatedly in the circumferential direction; and a stator winding including a first-phase winding, a second-phase winding, and a third-phase winding arranged on the stator core to be received in the corresponding slots.
  • the Slot-received portions of the stator winding are radially stacked in four layers.
  • the invention is based on the object of specifying a possibility for quieter operation of an electrical machine with a stator having a distributed stator winding.
  • the stator for an electrical machine has a distributed stator winding.
  • the stator winding has a number N of phase windings.
  • the stator has P number of pole pairs.
  • the stator has a stator core. Slots are formed in the stator core.
  • the stator winding is placed in the slots.
  • the stator core is divided into 2 PN winding zones. The winding zones follow one another evenly in the circumferential direction.
  • the stator core has a large number of recesses.
  • the recesses extend in the axial direction from a first end face of the stator core and a second end face of the stator core. The second face is opposite the first face.
  • the recesses form at least one arrangement of recesses following one another in the circumferential direction. At least two recesses of the arrangement each belong to one of the winding zones. Each pair of circumferentially adjacent recesses belonging to the same winding zone are circumferentially spaced apart by a first angular distance. Each pair of circumferentially adjacent recesses belonging to different winding zones are circumferentially spaced apart by a second angular distance. In at least one arrangement, the first angular distance and the second angular distance are different, so that the arrangement is designed as an uneven arrangement.
  • the stator according to the invention is characterized in particular by the fact that the recesses extending in the axial direction are not arranged uniformly in the circumferential direction, at least in one arrangement, but are shifted in relation to a respective winding zone in such a way that the second angular distance of the pair of circumferentially adjacent, recesses belonging to different winding zones is different.
  • the stator core is preferably designed as a laminated core.
  • the recesses of a respective arrangement preferably have the same shape when viewed from the first end face.
  • the first angular distance is preferably defined as the difference between the angular positions of the recesses of the pair of adjacent recesses belonging to the same winding zone.
  • the second angular distance is preferably defined as the difference between the angular positions of the recesses of the pair of adjacent recesses belonging to different winding zones.
  • the angular position of each recess may be defined as the angular position of a radial tangent to an edge of the recess as viewed from the first face.
  • the first angular distances of a respective pair of adjacent recesses are preferably identical to the uneven arrangement.
  • the second angular distances are preferably identical.
  • the second angular distance can be smaller or larger than the first angular distance.
  • the second angular distance is at least 360 (2 P N nr20), preferably at least 3607 (2 P N nr10) smaller or larger than the first angular distance.
  • the recesses of a first arrangement designed as an uneven arrangement form the grooves. This allows the grooves to assume the shifted shape provided by the present invention to enable smoother operation.
  • the recesses of a first arrangement form the slots and are arranged regularly in the circumferential direction of the entire stator core.
  • the stator according to the invention preferably has a receiving space for a rotor of the electrical machine.
  • the stator core can have a lateral surface facing the receiving space.
  • the lateral surface is preferably a radially inner lateral surface of the stator core, which in particular in the electric machine delimits an air gap between the stator and the rotor.
  • the recesses of a second arrangement pass through the lateral surface.
  • the number of recesses in the second arrangement preferably corresponds to the number of recesses in the first arrangement.
  • the number of recesses in the first arrangement belonging to a respective one of the winding zones corresponds to the number of recesses in the second arrangement belonging to a respective one of the winding zones.
  • the recesses of the second arrangement can form slot openings in the stator core, which connect the slots to the receiving space. As a result, open slots of the stator can be formed.
  • the recesses of the second arrangement can form pseudo-slot openings of the stator core, which form blind holes in the radial direction.
  • the recesses of the second arrangement can be completely separated from the slots by the stator core. In this way, closed slots with associated pseudo-slots can be formed, which enables a particularly favorable magnetic flux profile in the stator core.
  • the recesses of the second array are located at angular circumferential positions where they are overlapped by the grooves.
  • the recesses of the second arrangement if they form the slot openings, a continuous radial connection from the receiving space in a form the respective groove.
  • each recess of the second array may lie on a radial line extending through one of the grooves.
  • the recesses of the second arrangement have a smaller extent in the circumferential direction than the grooves.
  • the second arrangement can be in the form of an uneven arrangement.
  • the quieter operation can also be realized independently of a shifted design of the grooves.
  • the recesses of the second arrangement can be arranged regularly in the circumferential direction of the entire stator core.
  • the recesses of a third arrangement pass through the lateral surface.
  • the number of recesses in the third arrangement preferably corresponds to the number of recesses in the first arrangement and/or the number of recesses in the second arrangement.
  • the number of recesses in the first arrangement belonging to one of the winding zones and/or the number of recesses in the second arrangement belonging to one of the winding zones corresponds to the number of recesses in the third arrangement belonging to one of the winding zones.
  • no radial line extending through a respective one of the recesses of the third assemblies does not extend through any of the grooves.
  • the recesses of the third arrangement may form pseudo-groove openings forming blind holes in the radial direction.
  • the third arrangement is preferably designed as an uneven arrangement.
  • the recesses of the third arrangement may be arranged regularly in the circumferential direction of the entire stator core.
  • the stator core for a respective arrangement is subdivided into first to 2 P N-th sectors, a respective sector being subdivided into first to m-th sub-sectors, where m is the number of recesses of the respective Arrangement corresponds to one of the winding zones, where for all 1 ⁇ j ⁇ 2 P N and all 1 ⁇ k ⁇ m applies that the k-th recess, which belongs to the j-th sector, so completely in the k-th sub-sector of the j-th sector is arranged such that the outer boundary of the k-th sub-sector, viewed clockwise from the first end face, is a tangent to the edge of the k-th recess.
  • First to (m-th) central angles of the first to (m-1)-th sub-sectors can correspond to the first angular distance and an m-th central angle of the m-th sub-sector can correspond to the second angular distance.
  • Each sector preferably includes exactly one winding zone.
  • the sectors, sub-sectors, and recesses are named in their order along the circumferential direction.
  • the mth central angle can be different from the first to (m ⁇ 1)th central angles. If the recesses of an arrangement are arranged regularly in the circumferential direction of the entire stator core, the first to m-th central angles can be identical.
  • slots each form a receiving space for a predetermined number of form conductors from which the stator winding is formed.
  • a so-called hairpin winding can be formed by the form conductor.
  • the shaped conductors are preferably formed from bent, electrically conductive rods, in particular made of copper. Typically, a predetermined number of between four and twelve form conductors are received within each slot. This number of shaped conductors can increase a cross-sectional area of the recess to at least 60 %, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%.
  • the shaped conductors typically have a rectangular cross-section, which may be rounded.
  • the stator winding can also be formed from wound wires, in particular with a round cross section.
  • an electric machine for driving a vehicle comprising a stator according to the invention and a rotor which is rotatably mounted inside the stator.
  • the electrical machine is preferably a synchronous machine or an asynchronous machine.
  • the rotor can be a permanent magnet rotor.
  • the electric machine is set up to form part of a drive train of the vehicle.
  • the vehicle may be a battery electric vehicle (BEV) or a hybrid vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a conventional stator
  • Fig. 1 1 is a schematic diagram of a vehicle with an embodiment of the electric machine according to the invention.
  • FIG. 1 is a cross section of a conventional stator 101 .
  • the recesses 104a-h form a first array 105a of recesses 104a-d and a second array 105b of recesses 104e-h.
  • the recesses 104a-d of the first arrangement 105a form slots which receive the stator winding 102 from.
  • the recesses 104e-h of the second arrangement 105b form slot openings which connect the recesses 104a-d of the first arrangement 105a to a receiving space 106 for a rotor by passing through an inner lateral surface 107 of the stator core 103.
  • the stator core is divided into six (2-P N) winding zones 108a-f which follow one another evenly in the circumferential direction.
  • 2-P N The stator core is divided into six (2-P N) winding zones 108a-f which follow one another evenly in the circumferential direction.
  • each pair of circumferentially adjacent recesses 104a-d belonging to the same winding zone 108a-f are circumferentially spaced a first 1 1 1 ac apart.
  • each pair of circumferentially adjacent recesses 104a, 104d belonging to different winding zones 108a-f has a second win- 1 1 1 d in the circumferential direction to each other.
  • the first and second angular distances are identical, so that the recesses 104a-d are arranged regularly in the circumferential direction of the entire stator core 103.
  • the stator core 103 can be divided into first through sixth (2 P Nth) sectors 109a-f, represented by solid radial arrows in FIG. A respective sector 109a-f is in turn subdivided into first to fourth (mth) sub-sectors 110a-d, which are illustrated in FIG. 1 for the first sector 109a by dashed radial lines.
  • the k-th recess 104a-d belonging to the j-th sector 109a-f is thus completely in the k -th sub-sector 1 10a-d of the j-th sector 109a-f is arranged in such a way that the outer limit of the k-th sub-sector 1 10a-d, viewed clockwise from the first end face, is a tangent to the edge of the k-th recess 104a- d is
  • the central angles of a respective sub-sector 1 10a-d correspond to the first and second angular distances 1 1 1 a-d and are identical, so that all recesses 104a-d are arranged at equidistant positions in the circumferential direction.
  • the recesses 104e-h of the second arrangement 105b are also arranged regularly in the circumferential direction of the stator core 103.
  • FIGS. 2 and 3 are each a cross section of a first embodiment of a stator 1 .
  • the recesses 4a-h form a first arrangement 5a of recesses 4a-d and a second arrangement 5b of recesses 4e-h.
  • the recesses 4a-d of the first arrangement 5a form grooves A, which receive the stator winding 2 from.
  • the recesses 4e-h of the second arrangement 5b form slot openings B, which connect the recesses 4a-d of the first arrangement 5a with a receiving space 6 for a rotor 52 (cf.
  • Fig. 1 connect by passing through an inner lateral surface 7 of the stator core 3.
  • the stator core is divided into six (2-P N) winding zones 8a-f which follow one another uniformly in the circumferential direction.
  • 2-P N The stator core is divided into six (2-P N) winding zones 8a-f which follow one another uniformly in the circumferential direction.
  • each pair of circumferentially adjacent recesses 4a-d belonging to the same winding zone 8a-f has a first circumferential angular spacing 11a-c from one another.
  • each pair of circumferentially adjacent recesses 4a, 4d, which belong to different winding zones 8a-f have a second circumferential angular spacing 11d from one another.
  • the first angular distance 1 1 a-c and the second angular distance 1 1 d are different, so that the first arrangement 5a is designed as an uneven arrangement.
  • the second angular distance 1 1 d is smaller than the first angular distance 1 1 a-c.
  • the first angular distances 11a-c of the pairs of circumferentially adjacent recesses 4a-d belonging to the same winding zone 8a-f are identical.
  • a respective first angular distance 1 1 a-c is greater than 360°/(2 P N m), whereas the second angular distance 11 d is less than 360°/(2 P N m).
  • each pair of circumferentially adjacent recesses 4e-h belonging to the same winding zone 8a-f have a first circumferential angular spacing 15a-c from one another.
  • each pair of circumferentially adjacent recesses 4e, 4h belonging to different winding zones 8a-f a second angular distance 15d to one another in the circumferential direction.
  • the first angular distance 15a-c and the second angular distance 11d are different, so that the second arrangement 5b is designed as an uneven arrangement.
  • the second angular distance 15d is smaller than the first angular distance 15a-c.
  • the first angular distances 15a-c of the pairs of circumferentially adjacent recesses 4e-h belonging to the same winding zone 8a-f are identical.
  • a respective first angular distance 15a-c is greater than 360°/(2 P N m), whereas the second angular distance 15d is less than 360°/(2 P N m).
  • the first and second angular distances 11a-d of the first arrangement 5a correspond to the first and second angular distances 15a-d of the second arrangement 5b, so that the groove openings B formed by the recesses 4e-h are at identical relative positions to the groove openings B formed by the recesses 4a -d grooves A are formed.
  • the slot openings B are here in the middle of the slots A.
  • stator core 3 for the first arrangement 5a can be subdivided into first through sixth (2 P Nth) sectors 9a-f, which are illustrated in FIG. 2 by solid radial arrows.
  • a respective sector 9a-f is in turn subdivided into first to fourth (mth) sub-sectors 10a-d, which are illustrated in FIG. 2 for the first sector 9a by dashed radial lines.
  • the k-th recess 4a-d belonging to the j-th sector 9a-f is completely in the k-th sub-sector 10a-d of the j-th sector 9a-f is arranged such that the outer boundary of the k-th sub-sector 10a-d, viewed clockwise from the first end face, is a tangent to the edge of the k-th recess 4a-d.
  • the first to third [(m ⁇ 1)th] central angles of the first to third [(m ⁇ 1)th)] subsectors 10a-c correspond to the first angular distances 11ac and are identical.
  • the first to third [(m ⁇ 1)th] central angles on the one hand and a fourth (mth) central angle of a fourth (mth) subsector 10d corresponding to the second angular spacing 11d on the other hand are different.
  • the fourth central angle is smaller than a respective one of the first to third central angles.
  • stator core 3 for the second arrangement 5b can be subdivided into first through sixth (2 P Nth) sectors 13a-f, which are illustrated in FIG. 3 by solid radial arrows.
  • a respective sector 13a-f is in turn subdivided into first to fourth (mth) sub-sectors 14a-d, which are illustrated in FIG. 3 for the first sector 13a by dashed radial lines.
  • the k-th recess 4e-h belonging to the j-th sector 13a-f is completely in the k-th sub-sector 14a-d of the j-th sector 13a-f is arranged such that the outer limit of the k-th partial sector 14a-d, viewed clockwise from the first end face, is a tangent to the edge of the k-th recess 4e-h.
  • the first to third [(m-1)-th] central angles of the first to third [(m-1)-th)] sub-sectors 14a-c correspond to the first angular distances 15a-c and are identical.
  • the first to third [(m ⁇ 1)th] central angles on the one hand and a fourth (mth) central angle of a fourth (mth) subsector 14d corresponding to the second angular spacing 15d on the other hand are different.
  • the fourth central angle is smaller than a respective one of the first to third central angles.
  • the central angles 11a-d of the first arrangement 5a correspond to the central angles 15a-d of the second arrangement 5b.
  • the stator winding 2 is formed by a multiplicity of shaped conductors 16 (see FIG. 2), so that the stator winding 2 is a hairpin winding.
  • Six shaped conductors 16, for example, are arranged in each recess 4a-d of the first arrangement 5a.
  • Further exemplary embodiments of a stator 1 are described below which, apart from the deviations described below, correspond to the stator 1 according to the first exemplary embodiment. Components that are the same or have the same effect are provided with identical reference symbols.
  • FIG. 4 is a cross section of a second embodiment of a stator 1 .
  • the second angular distance 11d is greater than the first angular position 11a-c in the first arrangement 5a.
  • the first angular distance 1 1 a-c is less than 360°/(2 P N m)
  • the second angular distance 1 1 d is greater than 360°/(2 P N m).
  • the second angular distance 15d (not shown) is greater than the first angular distance 15a-c (not shown).
  • the first angular distance 15a-c is less than 360°/(2 P N m)
  • the second angular distance 15d is greater than 360°/(2 P N m).
  • Fig. 5 is a cross section of a third exemplary embodiment of a stator 1, which corresponds to the second exemplary embodiment in that the first angular distances 11a-c, 15a-c or the first to third central angles are considerably greater than the second angular distances 11d, 15d or are the fourth central angles (first and second angular distances 15a-d not shown).
  • FIG. 6 is a cross section of a fourth embodiment of a stator 1 .
  • the first and second angular distances 11a-d are identical in the first arrangement 5a, so that the first arrangement 5a is not designed as an uneven arrangement.
  • the recesses 4a-d of the first arrangement 5a, which form the slots A, are arranged regularly in the circumferential direction of the entire stator core 3.
  • the second angular distance 15d is smaller than the first angular distance 15a-c. Because of this lie the recesses 4e-h forming the groove openings B are each at different positions relative to the recesses 4a-d forming the grooves A.
  • FIG. 7 is a cross section of a fifth embodiment of a stator 1, which corresponds to the second embodiment except for the following differences.
  • a third arrangement 5c of recesses 4i-l which are designed as pseudo-groove openings C, is provided.
  • the recesses 4i-l penetrate the lateral surface 7 and are arranged at positions in the circumferential direction which lie between those of a respective pair of adjacent recesses 4a-d of the first arrangement 5a and between those of a respective pair of adjacent recesses 4e-h of the second arrangement 5b.
  • the third arrangement 5c is designed as an uneven arrangement, with a second angular spacing 20d being greater than the first angular spacing 20a-c.
  • stator core 3 for the third arrangement 5c can be divided into first through sixth (2 P Nth) sectors 18a-f, which are illustrated in FIG. 7 by solid radial arrows.
  • a respective sector 18a-f is in turn subdivided into first through fourth (mth) sub-sectors 19a-d, which are illustrated in FIG. 3 for the first sector 18a by dashed radial lines.
  • the k-th recess 4i-l belonging to the j-th sector 18a-f is completely in the k-th sub-sector 19a-d of the j-th sector 18a-f is arranged such that the outer limit of the k-th partial sector 19a-d, viewed clockwise from the first end face, is a tangent to the edge of the k-th recess 4i-l.
  • the first to third [(m ⁇ 1)th] central angles of the first to third [(m ⁇ 1)th)] subsectors 19a-c correspond to the first angular distances 20a-c and are identical.
  • the first to third [(m ⁇ 1)th] central angles on the one hand and a fourth (mth) central angle of a fourth (mth) subsector 19d corresponding to the second angular spacing 20d on the other hand are different.
  • the fourth central angle is larger than a respective one of the first to third central angles.
  • the second angular distance 20d can be smaller than the first angular distance 20a-c.
  • FIG. 8 is a cross section of a section of a sixth exemplary embodiment of a stator 1, to which the statements relating to the fifth exemplary embodiment can be transferred.
  • the number of pole pairs P is, for example, 4, 6 or 8.
  • the arrangements 5a, 5c are each non-uniform arrangements. Accordingly, the first and second central angles of a respective sector 9a, 9b, 9c, 18a, 18b, 18c are different.
  • the recesses 4e-h are arranged regularly in the circumferential direction of the entire stator core 3. Accordingly, the first and second central angles of a respective sector 13a, 13b, 13c are different.
  • FIG. 9 is a cross section of a section of a seventh embodiment of a stator 1, which corresponds to the sixth embodiment in that the recesses 4a, 4b of the first arrangement 5a form closed slots A, which are separated from the receiving space 6 by the stator core 3. Furthermore, the recesses 4e, 4f of the second arrangement 5b form pseudo-groove openings D.
  • FIG. 10 is a diagram of a torque M versus an angular position ⁇ of a rotor 52 (see FIG. 11) in the operation of an embodiment of the stator 1, shown by a solid line, compared to a conventional stator 100, shown by a dashed line.
  • torque ripple in the stator 1 with shifted sectors is significantly lower than in the conventional stator 100.
  • 11 is a schematic diagram of an embodiment of a vehicle 50 with an embodiment of an electric machine 51 .
  • the electrical machine 51 has a stator 1 according to one of the exemplary embodiments described above and a rotor 52 rotatably mounted within the stator 1 .
  • the electrical machine 51 is designed as a permanent-field synchronous machine or as an asynchronous machine and is set up to drive the vehicle 50 . To this extent, the electric machine 51 is part of a drive train 53 of the vehicle 50.
  • the vehicle 50 is a battery electric vehicle (BEV) or a hybrid vehicle.
  • BEV battery electric vehicle

Abstract

Stator (1) für eine elektrische Maschine (51), wobei - der Stator (1) eine verteilte Statorwicklung (2) mit einer Anzahl N Phasenwicklungen, eine Anzahl P Polpaare und einen Statorkern (3), in dem Nuten (A) ausgebildet sind, wobei die Statorwicklung (2) in den Nuten (A) angeordnet ist, aufweist; - der Statorkern (3) in 2∙P∙N gleichmäßig in Umfangsrichtung aufeinander folgende Wicklungszonen (8a-f) untergliedert ist und eine Vielzahl von axialen Ausnehmungen (4a-l) aufweist; - die Ausnehmungen (4a-l) mindestens einer Anordnung (5a-c) von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Ausnehmungen (4a-d, 4e-f, 4i-l) ausbilden und jeweils wenigstens zwei Ausnehmungen (4a-d, 4e-f, 4i-l) der Anordnung (5a- c) zu einer der Wicklungszonen (8a-f) gehören; - jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen (4a-d, 4e-h, 4i-l), die zur selben Wicklungszone (8a-f) gehören, einen ersten Winkelabstand (11a-c, 15a-c, 20a-c) in Umfangsrichtung zueinander aufweist; wobei - jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen (4a, 4d, 4e, 4h, 4i, 4l), die zu verschiedenen Wicklungszonen (8a-f) gehören, einen zweiten Winkelabstand (11d, 15d, 20d) in Umfangsrichtung zueinander aufweist; und - bei mindestens einer Anordnung (5a-c) der erste Winkelabstand (11a-c, 15a-c, 20a-c) und der zweite Winkelabstand (11d, 15d, 20d) unterschiedlich sind, sodass die Anordnung (5a-c) als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.

Description

Stator für eine elektrische Maschine sowie elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator eine verteilte Statorwicklung mit einer Anzahl N Phasenwicklungen, eine Anzahl P Polpaare und einen Statorkern, in dem Nuten ausgebildet sind, wobei die Statorwicklung in den Nuten angeordnet ist, aufweist; wobei der Statorkern in 2 P N gleichmäßig in Umfangsrichtung aufeinander folgende Wicklungszonen untergliedert ist; wobei der Statorkern eine Vielzahl von Ausnehmungen, die sich in axialer Richtung von einer ersten Stirnseite des Statorkerns zu einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Statorkerns erstrecken, aufweist; wobei die Ausnehmungen mindestens einer Anordnung von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Ausnehmungen ausbilden und jeweils wenigstens zwei Ausnehmungen der Anordnung zu einer der Wicklungszonen gehören; wobei jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen, die zur selben Wicklungszone gehören, einen ersten Winkelabstand in Umfangsrichtung zueinander aufweist; wobei jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen, die zu verschiedenen Wicklungszonen gehören, einen zweiten Winkelabstand in Umfangsrichtung zueinander aufweist.
Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs.
Das Dokument US 2015/0381000 A1 offenbart einen Stator für eine rotierende elektrische Maschine, umfassend einen ringförmigen Statorkern mit einer Vielzahl von Paaren von Nuten für eine erste Phase, einer Vielzahl von Paaren von Nuten für eine zweite Phase und einer Vielzahl von Nuten für eine dritte Phase, die aufeinanderfolgend und wiederholend in Umfangsrichtung vorgesehen sind; und eine Statorwicklung, umfassend eine Wicklung für eine erste Phase, eine Wicklung eine zweite Phase und eine Wicklung für eine dritte Phase, die am Statorkern angeordnet sind, um in den entsprechenden Nuten aufgenommen zu werden. In den Nuten aufgenommene Abschnitte der Statorwicklung sind radial in vier Schichten gestapelt.
Die Artikel von I. Petrov, P. Ponomarev, und J. Pyrhonen: “Torque ripple reduction in 12-slot 10-pole fractional slot permanent magnet synchronous motors with nonoverlapping windings by implementation of unequal stator teeth widths,” International Conference on Electrical Machines (ICEM), pp. 1455-1460, 2014; von I. Petrov, P. Ponomarev, Y. Alexandrova, and J. Pyrhonen: “Unequal Teeth Widths for Torque Ripple Reduction in Permanent Magnet Synchronous Machines With Fractional-Slot Non-Overlapping Windings,” IEEE Trans. Magn, vol. 51 , no. 2, pp. 1-9, 2015; und von P. Ponomarev, I. Petrov, and J. Pyrhonen: “Torque ripple reduction in double-layer 18/16 TC-PMSMs by adjusting teeth widths to minimize local saturation,” International Conference on Electrical Machines (ICEM), pp. 1461-1467, 2014 offenbaren jeweils einen Stator mit konzentrierten Zahnspulenwicklungen und ungleichen Statorzahnweiten.
Bei Statoren mit einer verteilten Statorwicklungen, die in gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Nuten aufgenommen sind, entstehen parasitäre Kräfte während des Betriebs einer den Stator aufweisenden elektrischen Maschine. Dadurch kann eine hohe Drehmomentwelligkeit auftreten, die unerwünschte Vibrationen und Betriebsgeräusche verursacht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zum ruhigeren Betrieb einer elektrischen Maschine mit einem eine verteilte Statorwicklung aufweisenden Stator anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Stator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei mindestens einer Anordnung der erste Winkelabstand und der zweite Winkelabstand unterschiedlich sind, sodass die Anordnung als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist. Der Stator für eine elektrische Maschine weist eine verteilte Statorwicklung auf. Die Statorwicklung weist eine Anzahl N Phasenwicklungen auf. Der Stator weist eine Anzahl P Polpaare auf. Der Stator weist einen Statorkern auf. In dem Statorkern sind Nuten ausgebildet. Die Statorwicklung ist in den Nuten angeordnet ist. Der Statorkern ist in 2 P N Wicklungszonen untergliedert. Die Wicklungszonen folgen gleichmäßig in Umfangsrichtung aufeinander. Der Statorkern weist eine Vielzahl von Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen erstrecken sich in axialer Richtung von einer ersten Stirnseite des Statorkerns zweiten Stirnseite des Statorkerns. Die zweite Stirnseite liegt der ersten Stirnseite gegenüber. Die Ausnehmungen bilden mindestens einer Anordnung von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Ausnehmungen aus. Jeweils wenigstens zwei Ausnehmungen der Anordnung gehören zu einer der Wicklungszonen. Jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen, die zur selben Wicklungszone gehören, weisen einen ersten Winkelabstand in Umfangsrichtung zueinander auf. Jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen, die zu verschiedenen Wicklungszonen gehören, weisen einen zweiten Winkelabstand in Umfangsrichtung zueinander auf. Bei mindestens einer Anordnung sind der erste Winkelabstand und der zweite Winkelabstand unterschiedlich, sodass die Anordnung als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.
Der erfindungsgemäße Stator zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die sich in axialer Richtung erstreckenden Ausnehmungen zumindest bei einer Anordnung nicht gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordnet sind, sondern in Bezug auf eine jeweilige Wicklungszone so verschoben sind, dass der zweite Winkelabstand des Paars von in Umfangsrichtung benachbarten, zu verschiedenen Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen unterschiedlich ist. Dadurch kann das Auftreten parasitärer Kräfte beim Betrieb der elektrischen Maschine erheblich reduziert werden, da Rastmomente, die eine erhöhte Drehmomentwelligkeit auslösen, verringert werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen ruhigeren, insbesondere vibrations- und geräuschärmeren, Betrieb der elektrischen Maschine ohne nennenswerte Einbußen ihrer Performanz. Bevorzugt ist der Statorkern als Blechpaket ausgebildet. Die Ausnehmungen erstrecken sich typischerweise parallel zu einer Längsachse des Statorkerns in Axialrichtung. Es wird bevorzugt, dass N = 3 oder N ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ist. Es wird ferner bevorzugt, dass P gleich 2, 4, 6 oder 8 ist. Bevorzugt gehören bei der mindestens einen Anordnung je m > 2, insbesondere m = 2, 3 oder 4, Ausnehmungen zu einer der Wicklungszonen. Bevorzugt haben die Ausnehmungen einer jeweiligen Anordnung von der ersten Stirnseite aus betrachtet dieselbe Form.
Der erste Winkelabstand ist bevorzugt als Differenz zwischen den Winkelpositionen der Ausnehmungen des Paars benachbarter Ausnehmungen, die zur selben Wicklungszonen gehören, definiert. Der zweite Winkelabstand ist bevorzugt als Differenz zwischen den Winkelpositionen der Ausnehmungen des Paars benachbarter Ausnehmungen, die zu unterschiedlichen Wicklungszonen gehören, definiert. Die Winkelposition einer jeweiligen Ausnehmung kann definiert sein als Winkelposition einer radialen Tangente an einem Rand der Ausnehmung, betrachtet von der ersten Stirnseite.
Bevorzugt sind der ungleichmäßigen Anordnung die ersten Winkelabstände eines jeweiligen Paars benachbarter Ausnehmungen identisch. Bevorzugt sind bei mehreren ungleichmäßigen Anordnungen die zweiten Winkelabstände identisch. Der zweite Winkelabstand kann kleiner oder größer als der erste Winkelabstand sein. Insbesondere ist der zweite Winkelabstand um wenigstens um 360 (2 P N nr20), bevorzugt wenigstens um 3607(2 P N nr10) kleiner oder größer als der erste Winkelabstand.
Es ist bevorzugt, dass die Ausnehmungen einer als ungleichmäßigen Anordnung ausgebildeten ersten Anordnung die Nuten ausbilden. Dadurch können die Nuten die erfindungsgemäß vorgesehene verschobene Gestalt annehmen, um den ruhigeren Betrieb zu ermöglichen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen einer ersten Anordnung die Nuten ausbilden und regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns angeordnet sind.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Stator einen Aufnahmeraum für einen Rotor der elektrischen Maschine auf. Darüber hinaus kann der Statorkern eine dem Aufnahmeraum zugewandte Mantelfläche aufweisen. Bevorzugt ist die Mantelfläche eine radial innere Mantelfläche des Statorkerns, welche insbesondere bei der elektrischen Maschine einen Luftspalt zwischen Stator und Rotor begrenzt.
In vorteilhafter Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen einer zweiten Anordnung die Mantelfläche durchsetzen. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Ausnehmung der zweiten Anordnung der Anzahl der Ausnehmungen der ersten Anordnung. Insbesondere entspricht die Anzahl der zu einer jeweiligen der Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen der ersten Anordnung der Anzahl der zu einer jeweiligen der Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen der zweiten Anordnung.
Die Ausnehmungen der zweiten Anordnung können Nutöffnungen des Statorkerns ausbilden, welche die Nuten mit dem Aufnahmeraum verbinden. Dadurch können offene Nuten des Stators ausgebildet werden. Alternativ können die Ausnehmungen der zweiten Anordnung Pseudonutöffnungen des Statorkerns, die Sacklöcher in Radialrichtung ausbilden, ausbilden. Dabei können die Ausnehmung der zweiten Anordnung durch den Statorkern vollständig von den Nuten getrennt sein. So können geschlossene Nuten mit zugehörigen Pseudonuten ausgebildet werden, was einen besonders günstigen magnetischen Flussverlauf im Statorkern ermöglicht.
Bevorzugt sind die Ausnehmungen der zweiten Anordnung an Winkelpositionen in Umfangsrichtung angeordnet, an denen sie von den Nuten überlappt werden. Dabei können die Ausnehmungen der zweiten Anordnung, wenn sie die Nutöffnungen ausbilden, eine durchgängige radiale Verbindung vom Aufnahmeraum in eine jeweilige Nut ausbilden. Wenn die Ausnehmungen der zweiten Anordnung die Pseudonutöffnen ausbilden, kann jede Ausnehmung der zweiten Anordnung auf einer radialen Linie liegen, welche sich durch eine der Nuten erstreckt.
Typischerweise weisen die Ausnehmungen der zweiten Anordnung eine geringere Erstreckung in Umfangsrichtung auf als die Nuten.
Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Anordnung als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist. Dadurch kann der ruhigere Betrieb auch unabhängig von einer verschobenen Gestaltung der Nuten realisiert werden. Alternativ können die Ausnehmungen der zweiten Anordnung regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns angeordnet sein.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen einer dritten Anordnung die Mantelfläche durchsetzen. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Ausnehmung der dritten Anordnung der Anzahl der Ausnehmungen der ersten Anordnung und/oder der Anzahl der Ausnehmungen der zweiten Anordnung. Insbesondere entspricht die Anzahl der zu einer jeweiligen der Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen der ersten Anordnung und/oder die Anzahl der zu einer jeweiligen der Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen der zweiten Anordnung der Anzahl der zu einer jeweiligen der Wicklungszonen gehörenden Ausnehmungen der dritten Anordnung.
Mit Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen der dritten Anordnung an Winkelpositionen in Umfangsrichtung angeordnet sind, die zwischen jenen eines jeweiligen Paars benachbarter Nuten liegen. Insbesondere erstreckt sich keine radiale Linie, welche sich durch eine jeweilige der Ausnehmungen der dritten Anordnungen erstreckt, durch eine der Nuten.
Die Ausnehmungen der dritten Anordnung können Pseudonutöffnungen, die Sacklöcher in Radialrichtung ausbilden, ausbilden. Bevorzugt ist die dritte Anordnung als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet. Alternativ können die Ausnehmungen der dritten Anordnung regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns angeordnet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Stator kann ferner vorgesehen sein, dass der Statorkern für eine jeweilige Anordnung in erste bis 2 P N-te Sektoren untergliedert ist, wobei ein jeweiliger Sektor in erste bis m-te Teilsektoren untergliedert ist, wobei m der Anzahl von Ausnehmungen der jeweiligen Anordnung entspricht, die zu einer der Wicklungszonen gehören, wobei für alle 1 < j < 2 P N und alle 1 < k < m gilt, dass die k-te Ausnehmung, die zum j-ten Sektor gehört, derart vollständig im k-ten Teilsektor des j-ten Sektors angeordnet ist, dass die von der ersten Stirnseite aus betrachtet im Uhrzeigersinn äußere Grenze des k-ten Teilsektors eine Tangente des Rands der k-ten Ausnehmung ist. Dabei können erste bis (m-te) Zentriwinkel der ersten bis (m-1 )-ten Teilsektoren dem ersten Winkelabstand entsprechen und ein m-ter Zentriwinkel des m-ten Teilsektors dem zweiten Winkelabstand entsprechen. Bevorzugt umfasst jeder Sektor genau eine Wicklungszone. Typischerweise sind die Sektoren, Teilsektoren und Ausnehmungen in ihrer Reihenfolge entlang der Umfangsrichtung benannt.
Bei einer ungleichmäßigen Anordnung kann der m-te Zentriwinkel unterschiedlich gegenüber den ersten bis (m-1 )-ten Zentriwinkeln sein. Wenn die Ausnehmungen einer Anordnung regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns angeordnet sind, können die ersten bis m-ten Zentriwinkel identisch sein.
Es wird bei dem erfindungsgemäßen Stator ferner bevorzugt, wenn Nuten jeweils einen Aufnahmeraum für eine vorgegebene Anzahl von Formleitern, aus denen die Statorwicklung gebildet ist, ausbilden. Durch die Formleiter kann eine sogenannte Haarnadelwicklung (engl. hairpin winding) ausgebildet werden. Die Formleiter sind bevorzugt aus gebogenen, elektrisch leitfähigen Stäben, insbesondere aus Kupfer, gebildet. Typischerweise wird eine vorgegebene Anzahl zwischen vier und zwölf Formleitern innerhalb einer jeweiligen Nut aufgenommen. Diese Anzahl von Formleitern kann eine Querschnittsfläche der Ausnehmung zu wenigstens 60 %, bevorzugt wenigstens 80 %, besonders bevorzugt wenigstens 90 %, ausfüllen. Die Formleiter haben typischerweise einen, gegebenenfalls abgerundeten, rechteckigen Querschnitt. Die Statorwicklung kann aber alternativ auch aus gewickelten Drähten, insbesondere mit einem runden Querschnitt, ausgebildet sein.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs, umfassend einen erfindungsgemäßen Stator und einen drehbar innerhalb des Stators gelagerten Rotor. Die elektrische Maschine ist bevorzugt eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine. Der Rotor kann ein permanenterregter Rotor sein. Insbesondere ist elektrische Maschine dazu eingerichtet, einen Teil eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs auszubilden. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder um ein Hybridfahrzeug handeln.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 einen Prinzipskizze eines herkömmlichen Stators;
Fig. 2 und 3 jeweils einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators;
Fig. 4 bis 7 jeweils einen Querschnitt weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stators;
Fig. 8 und 9 jeweils einen Querschnitt eines Ausschnitts weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stators;
Fig. 10 ein Diagramm eines Drehmoments über eine Winkelposition eines Rotors beim Betrieb eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stators in Vergleich zu einem herkömmlichen Stator; und Fig. 1 1 eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Fig. 1 ist ein Querschnitt eines herkömmlichen Stators 101 .
Der Stator 101 umfasst eine N-phasige (N = 3) verteilte Statorwicklung 102, die ein Polpaar (P = 1 ) des Stators ausbildet, und einen Statorkern 103, in welchem eine Vielzahl von Ausnehmungen 104a-h, die sich in axialer Richtung von einer ersten Stirnseite, aus deren Richtung auf den Querschnitt gemäß Fig. 1 geblickt wird, zu einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Statorkerns 103 erstrecken, ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 104a-h bilden eine erste Anordnung 105a von Ausnehmungen 104a-d und eine zweite Anordnung 105b von Ausnehmungen 104e-h aus. Die Ausnehmungen 104a-d der ersten Anordnung 105a bilden Nuten, welche die Statorwicklung 102 aufnehmen, aus. Die Ausnehmungen 104e-h der zweiten Anordnung 105b bilden Nutöffnungen aus, welche die Ausnehmungen 104a-d der ersten Anordnung 105a mit einem Aufnahmeraum 106 für einen Rotor verbinden, indem sie eine innere Mantelfläche 107 des Statorkerns 103 durchsetzen.
Der Statorkern ist in sechs (2- P N) gleichmäßig in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Wicklungszonen 108a-f untergliedert. Von den Ausnehmungen 104a-d, 104e-h einer jeweiligen Anordnung 105a, 105b gehören jeweils m = 4 Ausnehmungen zu einer der Wicklungszonen 108a-f.
Bei der ersten Anordnung 105a weist jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 104a-d, die zur selben Wicklungszone 108a-f gehören, einen ersten Winkelabstand 1 1 1 a-c in Umfangsrichtung zueinander auf. Außerdem weist jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 104a, 104d, die zu verschiedenen Wicklungszonen 108a-f gehören, einen zweiten Win- kelabstand 1 1 1 d in Umfangsrichtung zueinander auf. Die ersten und zweiten Winkelabstände sind identisch, sodass die Ausnehmungen 104a-d regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns 103 angeordnet sind.
Somit lässt sich der Statorkern 103 für die erste Anordnung 105a in erste bis sechste (2 P N-te) Sektoren 109a-f, die in Fig. 1 durch durgezogene radiale Pfeile dargestellt sind, untergliedern. Ein jeweiliger Sektor 109a-f ist wiederum in erste bis vierte (m-te) Teilsektoren 1 10a-d untergliedert, die in Fig. 1 für den ersten Sektor 109a durch gestrichelte radiale Linien dargestellt sind. Für alle 1 < j < 6 = 2- P- N und alle 1 < k < m = 4 gilt, dass die die k-te Ausnehmung 104a-d, die zum j-ten Sektor 109a-f gehört, derart vollständig im k-ten Teilsektor 1 10a-d des j-ten Sektors 109a-f angeordnet ist, dass die von der ersten Stirnseite aus betrachtet im Uhrzeigersinn äußere Grenze des k-ten Teilsektors 1 10a-d eine Tangente des Rands der k-ten Ausnehmung 104a-d ist. Dabei entsprechen Zentriwinkel eines jeweiligen Teilsektors 1 10a-d den ersten und zweiten Winkelabständen 1 1 1 a-d und sind identisch, sodass alle Ausnehmungen 104a-d an äquidistanten Positionen in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Analog dazu sind auch die Ausnehmungen 104e-h der zweiten Anordnung 105b regelmäßig in Umfangsrichtung des Statorkerns 103 angeordnet.
Fig. 2 und Fig. 3 sind jeweils ein Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Stators 1 .
Der Stator 1 umfasst eine N-phasige (N = 3) verteilte Statorwicklung 2, die ein Polpaar (P = 1 ) des Stators 1 ausbildet, und einen Statorkern 3, in welchem eine Vielzahl von Ausnehmungen 4a-h, die sich in axialer Richtung von einer ersten Stirnseite, aus deren Richtung auf den Querschnitt gemäß Fig. 2 geblickt wird, zu einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Statorkerns 3 erstrecken, ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 4a-h bilden eine erste Anordnung 5a von Ausnehmungen 4a-d und eine zweite Anordnung 5b von Ausnehmungen 4e-h aus. Die Ausnehmungen 4a-d der ersten Anordnung 5a bilden dabei Nuten A, welche die Statorwicklung 2 aufnehmen, aus. Die Ausnehmungen 4e-h der zweiten Anordnung 5b bilden Nutöffnungen B aus, welche die Ausnehmungen 4a- d der ersten Anordnung 5a mit einem Aufnahmeraum 6 für einen Rotor 52 (vgl.
Fig. 1 1 ) verbinden, indem sie eine innere Mantelfläche 7 des Statorkerns 3 durchsetzen.
Der Statorkern ist in sechs (2- P N) gleichmäßig in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Wicklungszonen 8a-f untergliedert. Von den Ausnehmungen 4a-d, 4d-h einer jeweiligen Anordnung 5a, 5b gehören jeweils m = 4 Ausnehmungen zu einer der Wicklungszonen 8a-f.
Bei der ersten Anordnung 5a weist jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 4a-d, die zur selben Wicklungszone 8a-f gehören, einen ersten Winkelabstand 1 1 a-c in Umfangsrichtung zueinander auf. Außerdem weist jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 4a, 4d, die zu verschiedenen Wicklungszonen 8a-f gehören, einen zweiten Winkelabstand 1 1d in Umfangsrichtung zueinander auf. Der erste Winkelabstand 1 1 a-c und der zweite Winkelabstand 1 1 d sind unterschiedlich, sodass die erste Anordnung 5a als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der zweite Winkelabstand 1 1 d kleiner als der erste Winkelabstand 1 1 a-c. Die ersten Winkelabstände 1 1 a-c der Paare von in Umfangsrichtung benachbarten, zur selben Wicklungszone 8a-f gehörenden Ausnehmungen 4a-d sind identisch. Ein jeweiliger erster Winkelabstand 1 1 a-c ist größer als 360°/(2 P N m), wohingegen der zweite Winkelabstand 11 d kleiner als 360°/(2 P N m) ist.
Wie in Fig. 3 im Detail dargestellt weist bei der zweiten Anordnung 5b jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 4e-h, die zur selben Wicklungszone 8a-f gehören, einen ersten Winkelabstand 15a-c in Umfangsrichtung zueinander auf. Außerdem weist jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 4e, 4h, die zu verschiedenen Wicklungszonen 8a-f gehören, einen zweiten Winkelabstand 15d in Umfangsrichtung zueinander auf. Der erste Winkelabstand 15a-c und der zweite Winkelabstand 1 1 d sind unterschiedlich, sodass die zweite Anordnung 5b als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der zweite Winkelabstand 15d kleiner als der erste Winkelabstand 15a-c. Die ersten Winkelabstände 15a-c der Paare von in Umfangsrichtung benachbarten, zur selben Wicklungszone 8a-f gehörenden Ausnehmungen 4e-h sind identisch. Ein jeweiliger erster Winkelabstand 15a-c ist größer als 360°/(2 P N m), wohingegen der zweite Winkelabstand 15d kleiner als 360°/(2 P N m) ist.
Außerdem entsprechen beim ersten Ausführungsbeispiel die ersten und zweiten Winkelabstände 1 1 a-d der ersten Anordnung 5a den ersten und zweiten Winkelabständen 15a-d der zweiten Anordnung 5b, sodass die durch die Ausnehmungen 4e-h ausgebildeten Nutöffnungen B an identischen Relativpositionen zu den durch die Ausnehmungen 4a-d ausgebildeten Nuten A liegen. Die Nutöffnungen B liegen hier mittig zu den Nuten A.
Somit lässt sich der Statorkern 3 für die erste Anordnung 5a in erste bis sechste (2 P N-te) Sektoren 9a-f, die in Fig. 2 durch durgezogene radiale Pfeile dargestellt sind, untergliedern. Ein jeweiliger Sektor 9a-f ist wiederum in erste bis vierte (m-te) Teilsektoren 10a-d untergliedert, die in Fig. 2 für den ersten Sektor 9a durch gestrichelte radiale Linien dargestellt sind. Für alle 1 < j < 6 = 2 P N und alle 1 < k < m = 4 gilt, dass die die k-te Ausnehmung 4a-d, die zum j-ten Sektor 9a-f gehört, derart vollständig im k-ten Teilsektor 10a-d des j-ten Sektors 9a-f angeordnet ist, dass die von der ersten Stirnseite aus betrachtet im Uhrzeigersinn äußere Grenze des k-ten Teilsektors 10a-d eine Tangente des Rands der k-ten Ausnehmung 4a-d ist. Dabei entsprechen erste bis dritte [(m-1 )-te] Zentriwinkel der ersten bis dritten [(m-1 )-ten)] Teilsektoren 10a-c den ersten Winkelabständen 11 a-c und sind identisch. Die ersten bis dritten [(m-1 )-ten] Zentriwinkel einerseits und ein vierter (m-ter), dem zweiten Winkelabstand 11 d entsprechender Zentriwinkel eines vierten (m-ten) Teilsektors 10d andererseits sind unterschiedlich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der vierte Zentriwinkel kleiner als ein jeweiliger der ersten bis dritten Zentriwinkel.
Ferner lässt sich der Statorkern 3 für die zweite Anordnung 5b in erste bis sechste (2 P N-te) Sektoren 13a-f, die in Fig. 3 durch durgezogene radiale Pfeile dargestellt sind, untergliedern. Ein jeweiliger Sektor 13a-f ist wiederum in erste bis vierte (m-te) Teilsektoren 14a-d untergliedert, die in Fig. 3 für den ersten Sektor 13a durch gestrichelte radiale Linien dargestellt sind. Für alle 1 < j < 6 = 2 P N und alle 1 < k < m = 4 gilt, dass die die k-te Ausnehmung 4e-h, die zum j-ten Sektor 13a-f gehört, derart vollständig im k-ten Teilsektor 14a-d des j-ten Sektors 13a-f angeordnet ist, dass die von der ersten Stirnseite aus betrachtet im Uhrzeigersinn äußere Grenze des k-ten Teilsektors 14a-d eine Tangente des Rands der k-ten Ausnehmung 4e-h ist. Dabei entsprechen erste bis dritte [(m-1 )-te] Zentriwinkel der ersten bis dritten [(m-1)-ten)] Teilsektoren 14a-c den ersten Winkelabständen 15a- c und sind identisch. Die ersten bis dritten [(m-1 )-ten] Zentriwinkel einerseits und ein vierter (m-ter), dem zweiten Winkelabstand 15d entsprechender Zentriwinkel eines vierten (m-ten) Teilsektors 14d andererseits sind unterschiedlich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der vierte Zentriwinkel kleiner als ein jeweiliger der ersten bis dritten Zentriwinkel.
Außerdem entsprechen im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Zentriwinkel 1 1 a- d der ersten Anordnung 5a den Zentriwinkeln 15a-d der zweiten Anordnung 5b.
Der Stator 1 weist exemplarisch eine Lochzahl von vier (m = 4) auf, wobei die Lochzahl der Anzahl der zu einer jeweiligen Wicklungszone 8a-f gehörenden Ausnehmungen 4a-d, 4e-h einer jeweiligen Anordnung 5a, 5b entspricht.
Exemplarisch ist die Statorwicklung 2 durch eine Vielzahl von Formleitern 16 (siehe Fig. 2) ausgebildet, so dass die Statorwicklung 2 eine Haarnadelwicklung ist. In jeder Ausnehmung 4a-d der ersten Anordnung 5a sind beispielsweise sechs Formleiter 16 angeordnet. Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele eines Stators 1 beschrieben, die bis auf die nachfolgend beschriebenen Abweichungen dem Stator 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechen. Dabei sind gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit identischen Bezugszeichen versehen.
Fig. 4 ist ein Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Stators 1 .
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist bei der ersten Anordnung 5a der zweite Winkelabstand 1 1 d größer als der erste Winkelstand 1 1 a-c. Dabei ist der erste Winkelabstand 1 1 a-c kleiner als 360°/(2 P N m), wohingegen der zweite Winkelabstand 1 1 d größer als 360°/(2 P N m) ist. Ebenso ist bei der zweiten Anordnung 5b der zweite Winkelabstand 15d (nicht gezeigt) größer als der erste Winkelstand 15a-c (nicht gezeigt). Dabei ist der erste Winkelabstand 15a-c kleiner als 360°/(2 P N m), wohingegen der zweite Winkelabstand 15d größer als 360°/(2 P N m) ist.
Fig. 5 ist ein Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines Stators 1 , welches dem zweiten Ausführungsbeispiel insoweit entspricht, dass die ersten Winkelabstände 1 1 a-c, 15a-c bzw. die ersten bis dritten Zentriwinkel erheblich größer als die zweiten Winkelwinkelabstände 1 1 d, 15d bzw. die vierten Zentriwinkel sind (erste und zweite Winkelabstände 15a-d nicht gezeigt).
Fig. 6 ist ein Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines Stators 1 .
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel sind bei der ersten Anordnung 5a die ersten und zweiten Winkelabstände 1 1 a-d (nicht gezeigt) identisch, so dass die erste Anordnung 5a nicht als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist. Die Ausnehmungen 4a-d der ersten Anordnung 5a, welche die Nuten A ausbilden, sind regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns 3 angeordnet.
Bei der zweiten Anordnung 5b ist der zweite Winkelabstand 15d - wie beim ersten Ausführungsbeispiel - kleiner als der erste Winkelabstand 15a-c. Dadurch liegen die die Nutöffnungen B ausbildenden Ausnehmungen 4e-h jeweils an unterschiedlichen Relativpositionen zu den die Nuten A ausbildenden Ausnehmungen 4a-d.
Fig. 7 ist ein Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels eines Stators 1 , welches bis auf die folgenden Abweichungen dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht.
Beim dritten Ausführungsbeispiel ist eine dritte Anordnung 5c von Ausnehmungen 4i-l vorgesehen, welche als Pseudonutöffnungen C ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 4i-l durchsetzen die Mantelfläche 7 und sind an Positionen in Umfangsrichtung angeordnet, die zwischen jenen eines jeweiligen Paars benachbarter Ausnehmungen 4a-d der ersten Anordnung 5a bzw. zwischen jenen eines jeweiligen Paars benachbarter Ausnehmungen 4e-h der zweiten Anordnung 5b liegen. Die dritte Anordnung 5c ist als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet, wobei ein zweiter Winkelabstand 20d größer als der erste Winkelabstand 20a-c ist.
Ferner lässt sich der Statorkern 3 für die dritte Anordnung 5c in erste bis sechste (2 P N-te) Sektoren 18a-f, die in Fig. 7 durch durgezogene radiale Pfeile dargestellt sind, untergliedern. Ein jeweiliger Sektor 18a-f ist wiederum in erste bis vierte (m-te) Teilsektoren 19a-d untergliedert, die in Fig. 3 für den ersten Sektor 18a durch gestrichelte radiale Linien dargestellt sind. Für alle 1 < j < 6 = 2 P N und alle 1 < k < m = 4 gilt, dass die die k-te Ausnehmung 4i-l, die zum j-ten Sektor 18a-f gehört, derart vollständig im k-ten Teilsektor 19a-d des j-ten Sektors 18a-f angeordnet ist, dass die von der ersten Stirnseite aus betrachtet im Uhrzeigersinn äußere Grenze des k-ten Teilsektors 19a-d eine Tangente des Rands der k-ten Ausnehmung 4i-l ist. Dabei entsprechen erste bis dritte [(m-1 )-te] Zentriwinkel der ersten bis dritten [(m-1 )-ten)] Teilsektoren 19a-c den ersten Winkelabständen 20a-c und sind identisch. Die ersten bis dritten [(m-1 )-ten] Zentriwinkel einerseits und ein vierter (m-ter), dem zweiten Winkelabstand 20d entsprechender Zentriwinkel eines vierten (m-ten) Teilsektors 19d andererseits sind unterschiedlich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der vierte Zentriwinkel größer als ein jeweiliger der ersten bis dritten Zentriwinkel. Alternativ kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der zweite Winkelabstand 20d kleiner als der erste Winkelabstand 20a-c sein.
Fig. 8 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Stators 1 , auf welches sich die Ausführungen zum fünften Ausführungsbeispiel übertragen lassen.
Bei dem Stator 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel gehören bei jeder Anordnung 5a-c jeweils lediglich m = 2 Ausnehmungen 4a, 4b, 4e, 4f, 4i, 4j zu jeder Wicklungszone 8a, 8b, 8c. Die Anzahl der Polpaare P ist beispielsweise 4, 6 oder 8. Die Lochzahl des Stators 1 beträgt m = 2. Dabei sind die Anordnungen 5a, 5c jeweils ungleichmäßige Anordnungen. Dementsprechend sind der erste und zweite Zentriwinkel eines jeweiligen Sektors 9a, 9b, 9c, 18a, 18b, 18c unterschiedlich. Bei der zweiten Anordnung 5b sind die Ausnehmungen 4e-h regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns 3 angeordnet sind. Dementsprechend sind der erste und zweite Zentriwinkel eines jeweiligen Sektors 13a, 13b, 13c unterschiedlich.
Fig. 9 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts eines siebten Ausführungsbeispiels eines Stators 1 , welches dem sechsten Ausführungsbeispiel insoweit entspricht, als dass die Ausnehmungen 4a, 4b der ersten Anordnung 5a geschlossene Nuten A ausbilden, die durch den Statorkern 3 vom Aufnahmeraum 6 getrennt sind. Ferner bilden die Ausnehmungen 4e, 4f der zweiten Anordnung 5b Pseudonutöffnungen D aus.
Fig. 10 ist ein Diagramm eines Drehmoments M über eine Winkelposition <p eines Rotors 52 (vgl. Fig. 1 1 ) beim Betrieb eines Ausführungsbeispiels des Stators 1 , gezeigt durch eine durchgezogene Linie, im Vergleich zu einem herkömmlichen Stator 100, gezeigt durch eine gestrichelte Linie. Ersichtlich ist eine Drehmomentwelligkeit beim Stator 1 mit verschobenen Sektoren wesentlich geringer als beim herkömmlichen Stator 100. Fig. 1 1 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 50 mit einem Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 51 . Die elektrische Maschine 51 weist einen Stator 1 gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und einen drehbar innerhalb des Stators 1 gelagerten Rotor 52 auf. Die elektrische Maschine 51 ist als, insbesondere permanenterregte, Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgebildet und dazu eingerichtet, das Fahrzeug 50 anzutreiben. Die elektrische Maschine 51 ist insoweit Teil eines Antriebsstrangs 53 des Fahrzeugs 50. Das Fahrzeug 50 ist ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) oder ein Hybridfahrzeug.

Claims

Patentansprüche
1 . Stator (1 ) für eine elektrische Maschine (51 ), wobei
- der Stator (1 ) eine verteilte Statorwicklung (2) mit einer Anzahl N Phasenwicklungen, eine Anzahl P Polpaare und einen Statorkern (3), in dem Nuten (A) ausgebildet sind, wobei die Statorwicklung (2) in den Nuten (A) angeordnet ist, aufweist; wobei
- der Statorkern (3) in 2 P N gleichmäßig in Umfangsrichtung aufeinander folgende Wicklungszonen (8a-f) untergliedert ist; wobei
- der Statorkern (3) eine Vielzahl von Ausnehmungen (4a-l), die sich in axialer Richtung von einer ersten Stirnseite des Statorkerns (3) zu einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Statorkerns (3) erstrecken, aufweist; wobei
- die Ausnehmungen (4a-l) mindestens einer Anordnung (5a-c) von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Ausnehmungen (4a-d, 4e-f, 4i-l) ausbilden und jeweils wenigstens zwei Ausnehmungen (4a-d, 4e-f, 4i-l) der Anordnung (5a- c) zu einer der Wicklungszonen (8a-f) gehören; wobei jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen (4a-d, 4e-h, 4i-l), die zur selben Wicklungszone (8a-f) gehören, einen ersten Winkelabstand (11 a-c, 15a-c, 20a-c) in Umfangsrichtung zueinander aufweist; wobei
- jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen (4a, 4d, 4e, 4h, 4i, 4I), die zu verschiedenen Wicklungszonen (8a-f) gehören, einen zweiten Winkelabstand (11d, 15d, 20d) in Umfangsrichtung zueinander aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer Anordnung (5a-c) der erste Winkelabstand (11 a-c, 15a-c, 20a-c) und der zweite Winkelabstand (11d, 15d, 20d) unterschiedlich sind, sodass die Anordnung (5a-c) als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.
2. Stator nach Anspruch 1 , wobei die Ausnehmungen (4a-d) einer als ungleichmäßige Anordnung ausgebildeten ersten Anordnung (5a) die Nuten (A) ausbilden.
3. Stator nach Anspruch 1 , wobei die Ausnehmungen (4a-d) einer ersten Anordnung (5a) die Nuten (A) ausbilden und regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns (3) angeordnet sind.
4. Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (1 ) einen Aufnahmeraum (6) für einen Rotor (52) der elektrischen Maschine (51 ) aufweist und der Statorkern (3) eine dem Aufnahmeraum (6) zugewandte Mantelfläche (7) aufweist.
5. Stator nach Anspruch 4, wobei die Ausnehmungen (4e-h) einer zweiten Anordnung (5b) die Mantelfläche (7) durchsetzen.
6. Stator nach Anspruch 5, wobei die Ausnehmungen (4e-h) der zweiten Anordnung (5b) Nutöffnungen (B) des Statorkerns (3), welche die Nuten (A) mit dem Aufnahmeraum (6) verbinden, oder Pseudonutöffnungen (D) des Statorkerns (3), die Sacklöcher in Radialrichtung ausbilden, ausbilden.
7. Stator nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Ausnehmungen (4e-h) der zweiten Anordnung (5b) an Winkelpositionen in Umfangsrichtung angeordnet sind, an denen sie von den Nuten (A) überlappt werden.
8. Stator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die zweite Anordnung (5b) als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.
9. Stator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Ausnehmungen der zweiten Anordnung (5b) regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns (3) angeordnet sind.
10. Stator nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Ausnehmungen (4i-l) einer dritten Anordnung (5c) die Mantelfläche (7) durchsetzen.
11 . Stator nach Anspruch 10, wobei die Ausnehmungen (4i-l) der dritten Anordnung (5c) an Winkelpositionen in Umfangsrichtung angeordnet sind, die zwischen jenen eines jeweiligen Paars benachbarter Nuten (A) liegen.
12. Stator nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die Ausnehmungen der dritten Anordnung (5c) Pseudonutöffnungen (C), die Sacklöcher in Radialrichtung ausbilden, ausbilden.
13. Stator nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die dritte Anordnung (5c) als ungleichmäßige Anordnung ausgebildet ist.
14. Stator nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Ausnehmungen (4i-l) der dritten Anordnung (5c) regelmäßig in Umfangsrichtung des gesamten Statorkerns (3) angeordnet sind.
15. Elektrische Maschine (51 ) zum Antreiben eines Fahrzeugs (50), umfassend einen Stator (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen drehbar innerhalb des Stators (1 ) gelagerten Rotor (52).
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