WO2022188916A1 - Stator und verfahren zur herstellung eines stators - Google Patents

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WO2022188916A1
WO2022188916A1 PCT/DE2022/100112 DE2022100112W WO2022188916A1 WO 2022188916 A1 WO2022188916 A1 WO 2022188916A1 DE 2022100112 W DE2022100112 W DE 2022100112W WO 2022188916 A1 WO2022188916 A1 WO 2022188916A1
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stator
insulation
pair
contact sections
slot
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PCT/DE2022/100112
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jens BOHNEN
Ralf Deiters
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
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    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
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    • H02K3/345—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation between conductor and core, e.g. slot insulation

Definitions

  • the present invention relates to a stator for an electrical machine, comprising a stator body with a plurality of circumferentially distributed stator teeth and stator slots formed between the stator teeth and extending in the axial direction through the stator, with stator windings arranged radially one above the other being accommodated in the stator slots are each encased in insulation, with the insulation resting at least in regions on a stator slot.
  • the invention also relates to a method for producing a stator.
  • Electric motors are increasingly being used to drive motor vehicles in order to create alternatives to internal combustion engines that require fossil fuels.
  • Significant efforts have already been made to improve the suitability for everyday use of electric drives and also to be able to offer users the driving comfort they are accustomed to.
  • This article describes a drive unit for an axle of a vehicle, which includes an electric motor that is arranged concentrically and coaxially with a bevel gear differential, with a switchable 2-speed planetary gear set being arranged in the power train between the electric motor and the bevel gear differential, which is also is positioned coaxially to the electric motor or the bevel gear differential or spur gear differential.
  • the drive unit is very compact and allows a good compromise between climbing ability, acceleration and energy consumption due to the switchable 2-speed planetary gear set.
  • Such drive units are also referred to as e-axles or electrically operable drive train.
  • hybrid drive trains are also known.
  • Such drive trains of a hybrid vehicle usually include a combination of an internal combustion engine and a Electric motor, and enable - for example in urban areas - a purely electric mode of operation with simultaneous sufficient range and availability, especially for overland journeys.
  • Jacket cooling and winding overhang cooling are known, for example, from the prior art for cooling electrical machines using hydraulic fluids. While jacket cooling transfers the heat generated on the outer surface of the stator laminations into a cooling circuit, with winding overhang cooling the heat transfer takes place directly on the conductors outside of the stator laminations in the area of the winding overhangs into the fluid.
  • Alternating magnetic attraction/repulsion forces act between the current-carrying conductors themselves and the stator slot. A freely (i.e. with play) inserted conductor would be excited to vibrate during operation. On the one hand, this can be associated with annoying noise, on the other hand, repeated impacts on the slot wall of the stator can lead to damage to the insulating coating and thus to short circuits or similar failures. Similar effects can also occur as a result of acceleration during ferry operations (e.g. braking, cornering, potholes).
  • the cooling medium should reach as many sides of the conductor cross-section as possible in order to dissipate the heat generated there.
  • the individual conductors within the package are each spaced apart from one another.
  • stator which at least reduces or completely eliminates the described disadvantages of the prior art. It is also the object of the invention to implement an optimized manufacturing process for a stator.
  • a stator for an electrical machine comprising a stator body with a plurality of circumferentially distributed stator teeth and formed between the stator teeth, extending in the axial direction through the stator stator slots, wherein in the stator slots radially stacked stator windings are accommodated, which which are each encased by an insulation, the insulation at least partially lying against a stator slot, the insulation having a lateral surface with a rectangular cross section, a first pair of diagonally opposite contact sections and a second pair of diagonally opposite contact sections being formed on the insulation are, wherein the first pair of contact sections extend in the circumferential direction and/or in the radial direction more out of the jacket surface of the insulation than the second pair of contact sections, so that in the stator slot set assembly state, the first contact sections and the second contact sections rest on the inside of the stator slot.
  • stator windings thus serves to space the current-carrying stator windings within the stator slots of directly cooled stators.
  • a stator with a particularly advantageous geometry of stator slot and stator or insulation cross section can be realized for a directly cooled stator, in which there is no play between the stator windings encased by the insulation and the stator slot wall in any tolerance position. This can effectively prevent damage and noise during operation of the stator.
  • a sufficient cooling channel can be implemented around all sides of a rectangular conductor cross section, so that efficient cooling of the stator winding can be achieved.
  • stator windings in particular radially, into the stator slot, simple assembly and avoidance of damage during assembly can be achieved.
  • the stator is designed in particular as a stator for a radial flow machine.
  • the stator of a radial flux machine is usually constructed cylindrically and preferably consists of electrical laminations that are electrically insulated from one another and are constructed in layers and packaged to form laminations. Distributed over the circumference, grooves are let into the electrical sheet running parallel to the rotor shaft and accommodate the stator winding or parts of the stator winding.
  • the stator can be designed as a stator for an internal rotor or an external rotor.
  • the stator teeth extend radially inwards, while in the case of an external rotor they extend radially outwards.
  • the stator according to the invention is preferably provided for an electric machine, in particular for use within a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle.
  • the electrical machine is dimensioned in such a way that vehicle speeds of more than 50 km/h, preferably more than 80 km/h and in particular more than 100 km/h can be achieved.
  • the electric motor particularly preferably has an output of more than 30 kW, preferably more than 50 kW and in particular more than 70 kW. It is also preferred that the electric machine speeds greater than 5,000 rpm, more preferably greater than 10,000 rpm, most preferably greater than 12,500 rpm.
  • Stator teeth are components of the stator body which are designed as circumferentially spaced, tooth-like radially inward or radially outward parts of the stator body and between their free ends and a rotor body an air gap for the magnetic field is formed.
  • a stator winding is an electrically conductive conductor whose length is significantly greater than its length perpendicular to the length.
  • the stator winding can have any desired cross-sectional shape. Rectangular cross-sectional shapes are preferred, since they can be used to achieve high packing and consequently high power densities.
  • a stator winding made of copper is very particularly preferably formed.
  • a stator winding has insulation.
  • mica paper which for mechanical reasons can be reinforced by a glass fabric carrier, can be wound in ribbon form around one or more stator windings, which are impregnated with a hardening resin.
  • stator slots it can be advantageous for a coolant to flow through the stator slots, so that the stator can be cooled particularly effectively.
  • the stator slots through which a hydraulic fluid flows during operation are thus sealed radially inwards or outwards towards the rotor by the stator slot sealing means, so that the pressurized hydraulic fluid largely remains completely in the stator space.
  • the coolant in the stator slots it can be advantageous for the coolant in the stator slots to have a pressure of 0.1-2 bar.
  • the stator windings have a rectangular cross-sectional contour.
  • the insulation in the radial direction between a first contact section and a second contact section in the circumferential direction has a first groove on both sides that is open in the circumferential direction.
  • the insulation has a second groove open in the radial direction on both sides in the circumferential direction between a first contact section and a second contact section in the radial direction.
  • the object of the invention is also achieved by a method for producing a stator for an electrical machine, comprising a stator body with a plurality of stator teeth arranged distributed circumferentially and stator slots formed between the stator teeth and extending through the stator in the axial direction, with radial in the stator slots Stator windings arranged one above the other are accommodated, each of which is encased in insulation, with the insulation being in contact with a stator slot at least in some areas, comprising the following steps: a) providing stator windings with insulation that has a lateral surface that is rectangular in cross section, with a first A pair of diagonally opposite abutment sections and a second pair of diagonally opposite abutment sections are formed on the insulation, the first pair of abutment sections being stronger in the circumferential direction and/or in the radial direction extending out of the lateral surface of the insulation as the second pair of contact sections, b) inserting the stator windings in the radial direction into the stator
  • Figure 1 shows a stator with a stator slot in a partial perspective view
  • Figure 2 shows a stator winding with insulation in a perspective
  • FIG. 3 shows stator windings stacked radially in a stator slot with insulation in three different tolerance situations.
  • Figure 1 shows a stator 1 for an electrical machine, comprising a stator body 3 with a plurality of circumferentially distributed stator teeth 4 and formed between the stator teeth 4 and extending in the axial direction through the stator 1 stator slots 5, wherein in the stator slots 7 radially one above the other arranged stator windings 6 are accommodated, which are each encased by an insulation 8, and the insulation formed from a plastic 8 rests at least in regions on a stator slot 7.
  • the insulation 8 has a lateral surface that is rectangular in cross section, with a first pair of diagonally opposite contact sections 9 and a second pair of diagonally opposite contact sections 10 being formed on the insulation 8 .
  • the stator windings 6 encased by the insulation 8 also have a rectangular cross-sectional contour.
  • the first pair of contact sections 9 extends more out of the lateral surface 11 of the insulation in the circumferential direction and in the radial direction than the second pair of contact sections 10, so that in the installed state in the stator slot 7 the first contact sections 9 and the second contact sections 10 rest against the inside of the stator slot 7.
  • the insulation 8 has a first groove 12 open in the circumferential direction on both sides in the radial direction between a first contact section 9 and a second contact section 10 in the circumferential direction. Also in the circumferential direction between a first contact section 9 and a second contact section 10 in the radial direction, the insulation 8 has a second groove 13 open in the radial direction on both sides, so that a total of four grooves 12,13 are formed on the insulation in the circumferential direction.
  • stator windings 6 arranged radially one above the other are accommodated in the stator slots 7, which are each encased by an insulation 8, the insulation 8 resting at least in regions on a stator slot 7, comprising the following steps: a) providing stator windings 6 with an insulation 8, which has a lateral surface with a rectangular cross section, with a first pair of diagonally opposite contact sections 9 and a second pair of diagonally opposite contact sections 10 being formed on the insulation 8, with the first pair of contact sections 9 extending in the circumferential direction and/or in the radial direction direction more protruding from the lateral surface 11 of the insulation than the second pair of contact sections 10, b) inserting the stator windings 6 in the radial direction into the stator slots 7, c) rotation of the stator windings 6 about their respective axial axis in the stator slots 7 so that the first contact sections 9 and the second contact sections 10 bear against the inside of the stator slot 7
  • stator windings 6 encased by the insulation 8 in the axial direction can thus be used to twist them about their longitudinal axis when they are inserted into the stator slot 7 .
  • twisting of the rectangular basic cross-section With the twisting of the rectangular basic cross-section, its width in relation to the flanks or inner walls of the stator slot 7 increases depending on the twisting angle, which is shown in representations a and c in FIG. 3, in which the stator windings 6 are correspondingly twisted and fixed in the stator slot 7 are.
  • stator slot 7 and stator windings 6 can be matched to one another as follows:
  • the middle representation b of FIG. 3 shows the nominal case of the stator windings 6 arranged in the stator slot 7 .
  • a first tolerance case which is shown in representation a of FIG. 3, the widest stator winding 6 with the narrowest stator slot 7 is present.
  • the vertical axis of the rectangular stator winding 6 is parallel to the central axis of the stator slot.
  • the widths are coordinated in such a way that assembly is possible without overlapping.
  • the stator winding 6 is centered in the stator slot 7 without play in the circumferential direction.
  • stator windings 6 In a second tolerance case, which is shown in illustration c of FIG. 3, the narrowest stator windings 6 with the widest stator slot 7 are present. An assembly of the stator windings 6 in the stator slot 7 is easily possible due to the existing play. After being inserted into the stator slot 7 , each of the stator windings 6 is twisted about its longitudinal axis in the stator slot 7 until its flanks abut the outer surface of the stator slot 7 on both sides. Thus, the stator windings 6 are also centered in the circumferential direction in the stator slot 7 without play in the outlined tolerance case. In order to enable the torsional movement for the second tolerance case, the conductor cross section must be designed asymmetrically, as is shown, for example, in FIG. 2 and has been described accordingly.
  • the design of the insulation has contact sections 9,10 at the four corners of the rectangular basic cross section of the wave winding 6, which together with the outer surface of the stator slots 7 form the cooling channels for direct slot cooling, which can be seen clearly from the illustrations in Figures 1 and 3 .
  • the contact sections 9, 10 are designed in the same way at two mutually diagonal corners, but differ from the contact sections 9, 10 in the length and width direction of the rectangular cross section.
  • Both types of plant sections 9.10 have a shoulder characteristic in the radial direction and in the circumferential direction. However, their distance from the rectangular base body of the stator winding 6 differs; two paragraphs with a small and two paragraphs with a large distance are used.
  • the high/wide shoulder/contact section 9 on the top side of the conductor first comes into contact with the top side of the stator slot 7 .
  • this stator winding 6 is either already centered in the circumferential direction or has play in the circumferential direction. In the latter case, it can pivot around the first contact point by radial pressure (e.g. by an assembly tool) until the contact sections 9,10 come into contact with the flank of the stator slot 7 in the circumferential direction and thus center the stator winding 6 in the circumferential direction.
  • stator windings 6 assume a position with play-free centering in the circumferential direction.

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (1 ) für eine elektrische Maschine (2), umfassend einen Statorkörper (3) mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne (4) und zwischen den Statorzähnen (4) gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator (1 ) erstreckender Statornuten (5), wobei in den Statornuten (7) radial übereinander angeordnete Statorwicklungen (6) aufgenommen sind, die welche jeweils von einer Isolierung (8) ummantelt sind, wobei die Isolierung (8) zumindest bereichsweise an einer Statornut (7) anliegt, wobei die Isolierung (8) eine im Querschnitt rechteckige Mantelfläche aufweist, wobei ein erstes Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten (9) sowie ein zweites Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten (10) an der Isolierung (8) ausgebildet sind, wobei das erste Paar von Anlageabschnitten (9) sich in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung stärker aus der Mantelfläche (11 ) der Isolierung herauserstrecken als das zweite Paar von Anlageabschnitten (10), so dass im in der Statornut (7) eingesetzten Montagezustand die ersten Anlageabschnitte (9) und die zweiten Anlageabschnitte (10) an der Innenseite der Statornut (7) anliegen.

Description

Stator und Verfahren zur Herstellung eines Stators
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten radial übereinander angeordnete Statorwicklungen aufgenommen sind, die welche jeweils von einer Isolierung ummantelt sind, wobei die Isolierung zumindest bereichsweise an einer Statornut anliegt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Stators.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011 , Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferenzial oder Stirnradifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2- Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
Bei der Entwicklung der für E-Achsen oder Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der elektrischen Maschinen wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.
Die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung sind beispielsweise aus dem Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen mittels Hydraulikflüssigkeiten bekannt. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der äußeren Oberfläche des Statorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang direkt an den Leitern außerhalb des Statorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid .
Weitere Verbesserungen bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators (siehe z. B. EP3157138 A1) als auch in die Nut zusätzlich zu den Leitern eingebracht werden (siehe z. B. Markus Schiefer:
Indirekte Wicklungskühlung von hochausgenutzten permanenterregten Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017).
In der Regel ist bei Statoren keine Abdichtung zur Statormitte notwendig, da in diesem Bereich keine Hydraulikflüssigkeit existent ist. Es sind jedoch Konzepte bekannt, bei denen die Wicklungen direkt mit Hydraulikflüssigkeit umströmt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Hydraulikflüssigkeit und Leiter in der Nut ist bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise DE102015013018 A1 eine Lösung für elektrische Maschinen mit Einzelzahnwicklung, wobei das Fluid direkt die Wicklungen, welche um die Zähne gewickelt sind, umströmt.
Zwischen den stromtragenden Leitern selbst und zur Statornut wirken wechselnde magnetische Anzugs-/Abstoßkräfte. Ein frei (d.h. mit Spiel behaftet) eingelegter Leiter würde dadurch im Betrieb zu Schwingungen angeregt werden. Dies kann einerseits mit störender Geräuschbildung verbunden sein, andererseits kann das wiederholte Anschlägen an die Nutwand des Stators zu Beschädigungen an der Isolationsummantelung und somit zu Kurzschlüssen oder ähnlichem Versagen führen. Auch durch Beschleunigungen im Fährbetrieb (z.B. Bremsen, Kurvenfahrt, Schlaglöcher) können ähnliche Effekte auftreten.
Zur effizienten Kühlung der stromtragenden Leiter bei direkter Nutkühlung soll das Kühlmedium möglichst alle Seiten des Leiterquerschnitts erreichen, um dort die entstehende Wärme abzuführen. Bei einem Paket mehrerer benachbarter Leiter in einer Nut muss dabei insbesondere sichergestellt werden, dass die einzelnen Leiter innerhalb des Pakets jeweils voneinander beabstandet sind. Außerdem soll zu beiden Flanken der Nut ein möglichst gleicher Abstand bestehen. Diese Anforderung kann erfüllt werden, wenn der Isolationsmantel der Leiter mit einem profilierten Querschnitt ausgeführt wird, welcher zusammen mit der Statorwand die Kühlkanäle ausbildet.
Bei trockenen Statoren werden die Leiter in der Nut nach der Montage mit einer Vergussmasse fixiert. Beim direkt gekühlten Stator ist das keine sinnvolle Option, da dadurch die erforderlichen Kühlkanäle um die Leiter verschlossen werden können.
Diesen Anforderungen gegenüber steht die Notwendigkeit, dass insbesondere die Leitermatte bei einer Wellenwicklung radial in die Statornuten montierbar sein muss. Sowohl die Nut im gestanzten und paketierten Stator als auch Höhe und Breite des ummantelten Leiters sind mit Toleranzen behaftet. Beide Komponenten müssen so aufeinander angepasst sein, dass der breiteste Leiter noch in die schmälste Nut eingeführt werden kann. Im umgekehrten Toleranzfall, bei dem der schmälste Leiter mit der breitesten Nut gepaart wird, führt dies unweigerlich zu Spiel in Umfangsrichtung und den damit verbundenen, oben beschriebenen Nachteilen.
Die Auslegung mit Übermaß und ein radiales Einpressen der Leiter in den Stator ist aufgrund der Beschädigungsgefahr keine sinnvolle Option.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Stator bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik zumindest reduziert oder vollständig beseitigt. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung einen optimierten Herstellungsprozess für einen Stator zu realisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten radial übereinander angeordnete Statorwicklungen aufgenommen sind, die welche jeweils von einer Isolierung ummantelt sind, wobei die Isolierung zumindest bereichsweise an einer Statornut anliegt, wobei die Isolierung eine im Querschnitt rechteckige Mantelfläche aufweist, wobei ein erstes Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten sowie ein zweites Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten an der Isolierung ausgebildet sind, wobei das erste Paar von Anlageabschnitten sich in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung stärker aus der Mantelfläche der Isolierung herauserstrecken als das zweite Paar von Anlageabschnitten, so dass im in der Statornut eingesetzten Montagezustand die ersten Anlageabschnitte und die zweiten Anlageabschnitte an der Innenseite der Statornut anliegen.
Die Isolierung der Statorwicklungen dient somit zur Beabstandung der stromtragenden Statorwicklungen innerhalb der Statornuten von direkt gekühlten Statoren. Hierdurch kann ein Stator mit einer besonders vorzugshaften Geometrie von Statornut und Stator- bzw. Isolationsquerschnitt für einen direkt gekühlten Stator realisiert werden, bei welcher in jeder Toleranzlage kein Spiel zwischen den von der Isolierung ummantelten Statorwicklungen und der Statornutwand besteht. Hierdurch können effektiv Beschädigungen und Geräuschbildung im Betrieb des Stators vorgebeugt werden.
Ferner ist durch die erfindungsgemäße geometrische Ausgestaltung ein ausreichender Kühlkanal um alle Seiten eines rechteckigen Leiterquerschnitts realisierbar, so dass eine effiziente Kühlung der Statorwicklung erzielbar ist.
Durch ein insbesondere radiales Einschieben der Statorwicklungen in die Statornut, ist eine einfache Montierbarkeit und eine Vermeidung von Beschädigungen während der Montage erzielbar.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Der Stator ist insbesondere als Stator für eine Radialflussmaschine ausgebildet.
Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht bevorzugt aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen.
Der Stator kann als Stator für einen Innenläufer oder Außenläufer ausgebildet sein. Bei einem Innenläufer erstrecken sich die Statorzähne radial nach innen, während sie sich bei einem Außenläufer radial nach außen erstrecken.
Der erfindungsgemäße Stator ist bevorzugt vorgesehen für eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen oder radial nach außen gerichteten Teilen des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist.
Eine Statorwicklung ist ein elektrisch leitfähiger Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als seine Erstreckung senkrecht zur Längserstreckung. Die Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet. Erfindungsgemäß weist eine Statorwicklung eine Isolierung auf. Zur Isolierung der Statorwicklung kann beispielsweise Glimmerpapier, welches aus mechanischen Gründen durch einen Glasgewebeträger verstärkt sein kann, in Bandform um eine oder mehrere Statorwicklungen gewickelt sein, welche mittels eines aushärtenden Harzes imprägniert sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine aushärtbare Polymer oder Lackschicht ohne ein Glimmerpapier zu verwenden um eine Statorwicklung zu isolieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Statornuten von einem Kühlmittel durchströmt sind, so dass eine besonders effektive Kühlung des Stators erfolgen kann. Durch das Statornutverschlussmittel sind somit die im Betrieb mit einer Hydraulikflüssigkeit durchströmten Statornuten radial nach innen oder außen zum Rotor hin abgedichtet, so dass die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit weitestgehend vollständig im Statorraum verbleibt. Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass das Kühlmittel in den Statornuten einen Druck von 0,1-2 bar aufweist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Statorwicklungen eine rechteckige Querschnittskontur aufweisen.
Es kann gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Isolierung in radialer Richtung zwischen einem ersten Anlageabschnitt und einem zweiten Anlageabschnitt in Umfangsrichtung beidseits jeweils eine in Umfangsrichtung offene erste Nut aufweisen.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Isolierung in umfänglicher Richtung zwischen einem ersten Anlageabschnitt und einem zweiten Anlageabschnitt in Radialrichtung beidseits jeweils eine in Radialrichtung offene zweite Nut aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten radial übereinander angeordnete Statorwicklungen aufgenommen sind, die welche jeweils von einer Isolierung ummantelt sind, wobei die Isolierung zumindest bereichsweise an einer Statornut anliegt, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellung von Statorwicklungen mit einer Isolierung, die eine im Querschnitt rechteckige Mantelfläche aufweist, wobei ein erstes Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten sowie ein zweites Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten an der Isolierung ausgebildet sind, wobei das erste Paar von Anlageabschnitten sich in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung stärker aus der Mantelfläche der Isolierung herauserstrecken als das zweite Paar von Anlageabschnitten, b) Einsetzen der Statorwicklungen in radialer Richtung in die Statornuten, c) Drehung der Statorwicklungen um ihre jeweilige Axialachse in den Statornuten, so dass die ersten Anlageabschnitte und die zweiten Anlageabschnitte an der Innenseite der Statornut anliegen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 einen Stator mit einer Statornut in einer teilperspektivischen Ansicht,
Figur 2 eine Statorwicklung mit Isolierung in einer perspektivischen
Darstellung und
Figur 3 in einer Statornut radial gestapelte Statorwicklungen mit Isolierungen in drei verschiedenen Tolleranzsituationen.
Die Figur 1 zeigt einen Stator 1 für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper 3 mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 4 und zwischen den Statorzähnen 4 gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator 1 erstreckender Statornuten 5, wobei in den Statornuten 7 radial übereinander angeordnete Statorwicklungen 6 aufgenommen sind, die welche jeweils von einer Isolierung 8 ummantelt sind, und wobei die aus einem Kunststoff gebildete Isolierung 8 zumindest bereichsweise an einer Statornut 7 anliegt.
Die Isolierung 8 weist eine im Querschnitt rechteckige Mantelfläche auf, wobei ein erstes Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten 9 sowie ein zweites Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten 10 an der Isolierung 8 ausgebildet sind. Die von der Isolierung 8 ummantelten Statorwicklungen 6 besitzen ebenfalls eine rechteckige Querschnittskontur. Das erste Paar von Anlageabschnitten 9 erstreckt sich in Umfangsrichtung und in radialer Richtung stärker aus der Mantelfläche 11 der Isolierung heraus, als das zweite Paar von Anlageabschnitten 10, so dass im in der Statornut 7 eingesetzten Montagezustand die ersten Anlageabschnitte 9 und die zweiten Anlageabschnitte 10 an der Innenseite der Statornut 7 anliegen.
Wie auch der Zusammenschau von Figur 1 und Figur 2 gut entnehmbar ist, weist die Isolierung 8 in radialer Richtung zwischen einem ersten Anlageabschnitt 9 und einem zweiten Anlageabschnitt 10 in Umfangsrichtung beidseits jeweils eine in Umfangsrichtung offene erste Nut 12 auf. Auch in umfänglicher Richtung zwischen einem ersten Anlageabschnitt 9 und einem zweiten Anlageabschnitt 10 in Radialrichtung besitzt die Isolierung 8 beidseits jeweils eine in Radialrichtung offene zweite Nut 13, so dass in Umfangsrichtung insgesamt vier Nuten 12,13 an der Isolierung ausgebildet sind.
Anhand der Figur 3 wird ein Verfahren zur Fierstellung des Stators 1 für eine elektrische Maschine erläutert, umfassend einen Statorkörper 3 mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 4 und zwischen den Statorzähnen 4 gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator 1 erstreckender Statornuten 5, wobei in den Statornuten 7 radial übereinander angeordnete Statorwicklungen 6 aufgenommen sind, die welche jeweils von einer Isolierung 8 ummantelt sind, wobei die Isolierung 8 zumindest bereichsweise an einer Statornut 7 anliegt, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellung von Statorwicklungen 6 mit einer Isolierung 8, die eine im Querschnitt rechteckige Mantelfläche aufweist, wobei ein erstes Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten 9 sowie ein zweites Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten 10 an der Isolierung 8 ausgebildet sind, wobei das erste Paar von Anlageabschnitten 9 sich in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung stärker aus der Mantelfläche 11 der Isolierung herauserstrecken als das zweite Paar von Anlageabschnitten 10, b) Einsetzen der Statorwicklungen 6 in radialer Richtung in die Statornuten 7, c) Drehung der Statorwicklungen 6 um ihre jeweilige Axialachse in den Statornuten 7, so dass die ersten Anlageabschnitte 9 und die zweiten Anlageabschnitte 10 an der Innenseite der Statornut 7 anliegen.
Die torsionale Nachgiebigkeit der von der Isolierung 8 ummantelten Statorwicklungen 6 in axialer Richtung kann somit dazu genutzt werden, um diese beim Einführen in die Statornut 7 um ihre Längsachse zu verdrehen. Mit der Verdrehung des rechteckförmigen Grundquerschnitts erhöht sich dessen Breite gegenüber den Flanken bzw. Innenwänden der Statornut 7 in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel, was in den Darstellungen a und c in der Figur 3 gezeigt wird, in denen die Statorwicklungen 6 entsprechend verdreht in der Statornut 7 fixiert sind.
Mittels der Isolierung 8 können die Statornut 7 und die Statorwicklungen 6 wie folgt aufeinander abgestimmt werden:
In der mittleren Darstellung b der Figur 3 ist der Nominalfall der in der Statornut 7 angeordneten Statorwicklungen 6 gezeigt. In einem ersten Toleranzfall, der in der Darstellung a der Figur 3 gezeigt ist, liegen die breiteste Statorwicklung 6 mit der schmälster Statornut 7 vor. In diesem Fall liegt die Hochachse der rechteckigen Statorwicklung 6 parallel zur Statornut-Mittelachse. Die Breiten sind so abgestimmt, dass die Montage ohne Überschneidung möglich ist. Die Statorwicklung 6 ist ohne Spiel in Umfangsrichtung in der Statornut 7 zentriert.
In einem zweiten Toleranzfall, der in der Darstellung c der Figur 3 wiedergegeben ist, liegen die schmälsten Statorwicklungen 6 mit der breitesten Statornut 7 vor. Eine Montage der Statorwicklungen 6 in die Statornut 7 ist durch das vorhandene Spiel problemlos möglich. Nach dem Einsetzen in die Statornut 7 wird jede der Statorwicklungen 6 in der Statornut 7 um seine Längsachse tordiert, bis seine Flanken beidseitig an der Mantelfläche der Statornut 7 anliegen. So sind die Statorwicklungen 6 auch in dem skizzieren Tolleranzfall ohne Spiel in Umfangsrichtung in der Statornut 7 zentriert. Um für den zweiten Toleranzfall die Torsionsbewegung zu ermöglichen, muss der Leiterquerschnitt asymmetrisch ausgeführt werden, so wie es beispielsweise in der Figur 2 gezeigt ist und entsprechend beschrieben wurde.
Das Design der Isolierung verfügt über Anlageabschnitte 9,10 an den vier Ecken des rechteckförmigen Grundquerschnitts der Wellenwicklung 6, welche zusammen mit der Mantelfläche der Statornuten 7 die Kühlkanäle für die direkte Nutkühlung ausbilden, was sich gut anhand der Darstellungen der Figuren 1 und 3 erkennen lässt. Die Anlageabschnitte 9, 10 sind an jeweils zwei zueinander diagonal liegenden Ecken gleichartig ausgeführt, unterscheiden sich aber zu den Anlageabschnitten 9,10 in Längen- und Breitenrichtung des Rechteckquerschnitts.
Beide Typen von Anlageabschnitten 9,10 verfügen über eine Absatz-Ausprägung in radialer Richtung und in Umfangsrichtung. Deren Abstand zum rechteckförmigen Grundkörper der Statorwicklung 6 unterscheidet sich jedoch; es werden zwei Absätze mit geringem und zwei Absätze mit hohem Abstand eingesetzt.
Beim Einlegen der ersten Statorwicklung 6 in die Statornut 7 kommt zunächst der hohe/breite Absatz/ Anlageabschnitt 9 an der Leiter-Oberseite mit der Oberseite der Statornut 7 in Kontakt. Abhängig von der Toleranzlage von Statornut 7 und Statorwicklung 6 ist diese Statorwicklung 6 entweder bereits in Umfangsrichtung zentriert oder mit Spiel in Umfangsrichtung behaftet. In letzterem Fall kann er durch radialen Druck (z.B. durch ein Montagewerkzeug) um die erste Kontaktstelle schwenken, bis die Anlageabschnitte 9,10 in Umfangsrichtung mit der Flanke der Statornut 7 in Kontakt kommen und somit die Statorwicklung 6 in Umfangsrichtung zentrieren.
Für die weiteren Statorwicklungen 6 stellt sich dasselbe Verhalten ein, sodass alle Statorwicklungen 6 eine Lage mit spielfreier Zentrierung in Umfangsrichtung einnehmen.
Abhängig von der Toleranzlage und dem Verdrehwinkel der einzelnen Statorwicklungen ergibt sich in radialer Richtung eine Variation der Pakethöhe. Bei der Auslegung der Nuttiefe sollte diese so abgestimmt sein, dass im kritischen Toleranzfall kein radiales Spiel vorhanden ist. Der radiale Überstand im entgegengesetzten Toleranzfall kann dann durch die radiale Nachgiebigkeit des Leiterpakets beim Einlegen eines Nutverschluss-Elements durch Komprimierung des Leiterpakets ausgeglichen werden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
I Stator 3 Statorkörper
4 Statorzähne
6 Statorwicklungen
7 Statornuten 8 Isolierung
9 Anlageabschnitte
10 Anlageabschnitte
I I Mantelfläche 12 Nut 13 Nut

Claims

Ansprüche
1. Stator (1 ) für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper (3) mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne (4) und zwischen den Statorzähnen (4) gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator (1) erstreckender Statornuten (7), wobei in den Statornuten (7) radial übereinander angeordnete Statorwicklungen (6) aufgenommen sind, die welche jeweils von einer Isolierung (8) ummantelt sind, wobei die Isolierung (8) zumindest bereichsweise an einer Statornut (7) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (8) eine im Querschnitt rechteckige Mantelfläche aufweist, wobei ein erstes Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten (9) sowie ein zweites Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten (10) an der Isolierung (8) ausgebildet sind, wobei das erste Paar von Anlageabschnitten (9) sich in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung stärker aus der Mantelfläche (11) der Isolierung herauserstrecken als das zweite Paar von Anlageabschnitten (10), so dass im in der Statornut (7) eingesetzten Montagezustand die ersten Anlageabschnitte (9) und die zweiten Anlageabschnitte (10) an der Innenseite der Statornut (7) anliegen.
2. Stator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen (6) eine rechteckige Querschnittskontur aufweisen.
3. Stator (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (8) in radialer Richtung zwischen einem ersten Anlageabschnitt (9) und einem zweiten Anlageabschnitt (10) in Umfangsrichtung beidseits jeweils eine in Umfangsrichtung offene erste Nut (12) aufweisen.
4. Stator (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (8) in umfänglicher Richtung zwischen einem ersten Anlageabschnitt (9) und einem zweiten Anlageabschnitt (10) in Radialrichtung beidseits jeweils eine in Radialrichtung offene zweite Nut (13) aufweisen.
5. Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) für eine elektrische Maschine (2), umfassend einen Statorkörper (3) mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne (4) und zwischen den Statorzähnen (4) gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator (1) erstreckender Statornuten (5), wobei in den Statornuten (7) radial übereinander angeordnete Statorwicklungen (6) aufgenommen sind, die welche jeweils von einer Isolierung (8) ummantelt sind, wobei die Isolierung (8) zumindest bereichsweise an einer Statornut (7) anliegt, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellung von Statorwicklungen (6) mit einer Isolierung (8), die eine im Querschnitt rechteckige Mantelfläche aufweist, wobei ein erstes Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten (9) sowie ein zweites Paar von sich diagonal gegenüberliegenden Anlageabschnitten (10) an der Isolierung (8) ausgebildet sind, wobei das erste Paar von Anlageabschnitten (9) sich in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung stärker aus der Mantelfläche (11) der Isolierung herauserstrecken als das zweite Paar von Anlageabschnitten (10), b) Einsetzen der Statorwicklungen
(6) in radialer Richtung in die Statornuten
(7), c) Drehung der Statorwicklungen (6) um ihre jeweilige Axialachse in den Statornuten (7), so dass die ersten Anlageabschnitte (9) und die zweiten Anlageabschnitte (10) an der Innenseite der Statornut (7) anliegen.
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