WO2023104229A1 - Stator für eine axialflussmaschine - Google Patents

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WO2023104229A1
WO2023104229A1 PCT/DE2022/100774 DE2022100774W WO2023104229A1 WO 2023104229 A1 WO2023104229 A1 WO 2023104229A1 DE 2022100774 W DE2022100774 W DE 2022100774W WO 2023104229 A1 WO2023104229 A1 WO 2023104229A1
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WO
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stator
pole shoe
segments
segment
tooth
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PCT/DE2022/100774
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Henrik MENGELKAMP
Michael Menhart
Richard Bernauer
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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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 invention relates to electrical drives, more specifically to axial flow machines, and in particular to the design of the stator.
  • the axial flow machine is one example of the many possible configurations of electric motors.
  • one or more rotors rotate relative to one or more stationary stators with respect to an installation environment of the axial flow machine.
  • Rotor(s) and stator(s) are arranged one after the other in an axial direction.
  • Permanent magnets are often used in the rotor, the magnetic flux of the stator is usually generated by means of electric current, which is conducted through windings (stator windings) arranged in slots between stator teeth. Pole shoes are used to influence the course of the magnetic field.
  • a known way of forming the pole shoes is to shape their geometry when the laminated cores for the stator are stamped.
  • the windings are attached later, and the existing pole shoe geometry can make assembly difficult.
  • the pole shoes are manufactured separately, the windings are first attached to the stator and only then are the pole shoes attached to the stator; this is often done by gluing.
  • Such an adhesive connection must be designed to withstand the thermal and mechanical loads occurring during operation of the electrical machine. Losses can occur in the pole shoes themselves.
  • Claim 10 relates to an axial flow machine with such a stator.
  • the dependent claims relate to advantageous embodiments.
  • the stator according to the invention for an axial flux machine has a multiplicity of stator teeth.
  • the pole shoe segments assigned to a stator tooth do not touch.
  • the use of several pole shoe segments per stator tooth instead of a single large-area pole shoe per stator tooth reduces the forces acting on the pole shoe segments during operation compared to the forces acting on a large-area pole shoe. This makes it easier to fix the pole shoe segments in the stator.
  • the use of the pole shoe segments also reduces the losses occurring within the pole shoe segments compared to the losses in a large-area pole shoe, which increases the efficiency of the electrical machine.
  • pole shoe segments instead of a large-area pole shoe also reduces the material expenditure for the pole shoe segments in comparison to the pole shoe. Since the pole shoe segments are manufactured separately, the assembly of the stator windings can be carried out more easily than with the pole shoe geometry already formed during the stamping of stator laminations. Pole shoe segments are preferably used on each stator tooth of the stator. The pole piece segments can be made from the same materials used to make known pole pieces.
  • the azimuthal direction is understood to be the direction in which a rotor of the axial flux machine moves relative to a stator of the axial flux machine during operation. This movement is a rotary movement. The direction of the axis of rotation of this rotary movement defines the axial direction. Perpendicular to both the axial direction and the azimuthal direction is the radial direction.
  • pole shoe segments assigned to a stator tooth are preferably designed and arranged in such a way that a pole shoe segment extends in the azimuthal direction both over part of the stator tooth and over part of a slot for stator windings, which slot follows the stator tooth in the azimuthal direction or precedes the stator tooth .
  • each pole shoe segment assigned to a stator tooth can extend in the manner just mentioned over part of the stator tooth and also part of a slot.
  • the pole shoe segments succeed in particular in capturing unwanted magnetic stray fields occurring at the edges of the stator teeth and in improving the course of the magnetic flux in such a way that the current displacement caused by current additionally occurring losses in the stator windings can be significantly reduced. It is also conceivable to use pole shoe segments of different sizes within a stator in order to achieve further improvements.
  • a recess for guiding a fluid is provided in a pole shoe segment on a side of the pole shoe segment facing the groove.
  • An electrically insulating coolant can be used as the fluid, for example; it can be an oil, for example.
  • pole shoe segment that extends over part of the slot in the above sense, it can be designed in such a way that it tapers towards the slot. This improves the course of the magnetic field.
  • pole shoe segments that are associated with stator teeth that follow one another in the azimuthal direction are connected to one another.
  • Two such pole shoe segments extend over a slot which is flanked by the two consecutive stator teeth, each of which is assigned one of the pole shoe segments. These two pole piece segments are connected to each other.
  • a pole piece segment may be fixed to the stator tooth with which it is associated; for example, the pole shoe segment can be glued to the stator tooth, but other fastening options are conceivable.
  • a fold can be formed on the stator tooth, which fold serves to accommodate a part of the pole shoe segment.
  • pole shoe segments it is also possible to hold the pole shoe segments in the position intended for them relative to the stator tooth with which they are respectively assigned, without fastening the pole shoe segments to the stator tooth.
  • a housing of the stator This can be a complete housing or a partial housing, such as a cover.
  • the pole shoe segments can be attached to the housing, for example glued to the housing; it is also possible to partially or completely embed pole shoe segments in the housing, for example if the housing is made of a plastic.
  • the pole shoe segments assume defined positions relative to the stator teeth, for example in such a way that a pole shoe segment extends over part of a stator tooth in the azimuthal direction and extends part of a groove. It is possible for the pole shoe segments to be spaced apart from the stator teeth in the axial direction.
  • a housing can also serve to keep a fluid, such as a cooling medium, in the stator.
  • the axial flux machine according to the invention has at least one stator of the type described above.
  • the configuration of a stator according to the invention can be used in any type of axial flux machine, for example in axial flux machines that have exactly one stator and one or more rotors, and in axial flux machines that have exactly one rotor and have one or more stators. If an axial flow machine has more than one stator, each of these stators can be designed according to the invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an axial flow machine.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of an axial flow machine.
  • FIG. 3 shows a stator core of a stator according to the invention with pole shoe segments.
  • FIG. 4 shows a detail from a stator according to the invention.
  • FIG. 5 shows a stator core for a stator of an axial flow machine.
  • FIG. 6 shows a winding for a stator of an axial flow machine.
  • FIG. 7 shows a detail from an exemplary embodiment of a stator according to the invention.
  • FIG. 8 shows a detail from an exemplary embodiment of a stator according to the invention.
  • FIG. 9 shows a detail from an exemplary embodiment of a stator according to the invention.
  • FIG. 10 shows a cross section of a pole shoe segment.
  • FIG. 11 shows a cross section of a pole shoe segment.
  • FIG. 12 shows a cross section of a pole shoe segment.
  • FIG. 13 shows a detail from a stator according to the invention.
  • FIG. 14 shows a detail from a stator according to the invention.
  • FIG. 15 shows a detail from a housing for a stator according to the invention.
  • FIG. 16 shows a detail from a housing for a stator according to the invention.
  • FIG. 17 shows a detail from a stator according to the invention.
  • FIG. 18 shows a detail from a stator according to the invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an axial flux machine 100 with a stator 10 which is arranged between two rotors 110 which are connected by a common rotor shaft 120 .
  • a configuration of an axial flow machine is also referred to as an H configuration.
  • Permanent magnets 111 are provided on the rotors 110 .
  • the rotors 110 rotate relative to the stator 10 about the axis of rotation 121, the direction of which defines the axial direction 151.
  • the direction of this rotation itself is perpendicular to the plane of the drawing and defines the azimuthal direction.
  • the radial direction 152 is also shown.
  • the stator 10 includes a stator core 11 carrying windings 30, such as copper.
  • the stator core 11 can be formed in a known manner, for example from stacks of stamped metal sheets.
  • FIG. 2 shows an embodiment of an axial flux machine 100 with a rotor 110 which is arranged between two stators 10 .
  • Such a configuration of an axial flux machine is referred to as an I-configuration.
  • the rotor 110 is seated on a rotor shaft 120 and is provided with permanent magnets 111 .
  • Each of the stators 10 includes a stator core 11 carrying windings 30 .
  • the stators 10 can be designed in a manner according to the invention. However, stators according to the invention can also be used in other configurations of an axial flow machine.
  • each stator tooth 12 carries two pole shoe segments 20. In the azimuthal direction 153, each pole shoe segment 20 extends over part of the respective stator tooth 12 and part of the slot 13 that follows or precedes this stator tooth 12 in the azimuthal direction 153.
  • the pole shoe segments 20 are spaced apart from one another , especially they do not touch.
  • the two pole shoe segments 20 according to the invention take the place of a single pole shoe for the stator tooth, which covers the stator tooth over a large area, usually the entire end face.
  • FIG. 4 shows a section of a stator 10 with a stator core 11.
  • a slot 13 in which the stator windings 30 are arranged, is flanked in the azimuthal direction 153 by two stator teeth 12.
  • a pole shoe segment 20 is shown for each of these stator teeth 12 , which extends in the azimuthal direction 153 over part of the slot 13 .
  • a gap 21 is formed between the pole shoe segments 20, with a gap width 22 that is less than a slot width 14, measured in the azimuthal direction 153.
  • a fold 15 is formed on each stator tooth 12, into which part of the respective pole shoe segment 20 is recorded.
  • FIG. 5 shows a stator core 11 with stator teeth 12 and slots 13 provided between the stator teeth 12.
  • the stator core 11 is provided with an electrically insulating layer 16.
  • FIG. The use of an electrically insulating layer 16 is conventional, but this layer is not shown in most of the drawings herein for the sake of clarity.
  • FIG. 6 shows a stator winding 30 which can be used in a stator according to the invention. Such windings are inserted into the stator core 11, such as that shown in Fig. 5, and run partially in its slots 13.
  • FIG. 7 shows a section of an exemplary embodiment of a stator 10 according to the invention.
  • the stator core 11 is shown with stator teeth 12 and windings 30 running between them a permanent magnet 111 of a rotor of an axial flux machine is shown in a position where it can be located when the axial flux machine is assembled.
  • the stator teeth 12 are provided with pole shoe segments 20; A fold 15 is provided on the respective stator tooth 12 to accommodate a pole shoe segment 20 .
  • a gap 21 is formed between two adjacent pole shoe segments 20 to different stator teeth 12 .
  • the pole shoe segments 20 are cuboid, in particular a cross section with a sectional plane perpendicular to the radial direction is rectangular.
  • Fig. 8 shows a detail from a further exemplary embodiment of a stator 10 according to the invention.
  • the basic structure is analogous to that in Fig.
  • FIG. 7 discussed embodiment, so that reference is made to FIG. 7 for the description of most of the elements shown.
  • a recess 23 for guiding a fluid is provided on the pole shoe segments 20.
  • FIG. The recess 23 faces the windings 30 and thus each slot 13 . Due to the recess 23 there is more volume in the area of the windings 30 through which a fluid, for example an electrically insulating cooling medium, can be conducted.
  • Fig. 9 shows a detail from a further exemplary embodiment of a stator 10 according to the invention.
  • the basic structure is analogous to that in Fig.
  • FIG. 7 discussed embodiment, so that reference is made to FIG. 7 for the description of most of the elements shown.
  • a tapering area 24 is provided on each of the pole shoe segments 20 .
  • the pole shoe segments 20 each taper towards a groove 13 or also towards a gap 21 between adjacent pole shoe segments 20 towards different stator teeth 12.
  • FIGS. 10-12 each show a cross section of a pole shoe segment 20.
  • the sectional plane is in each case perpendicular to the radial direction in the case of pole shoe segments 20 installed in a stator according to the invention
  • the embodiment of FIG. 10 has a rectangular cross section, as in the embodiment of FIG. 7.
  • the pole shoe segment 20 has a recess 23 for guiding a fluid, as in the embodiment of FIG
  • the pole shoe segment 20 has a tapering area 24, as in the embodiment of FIG. 9.
  • FIG. 13 shows a section of a stator 10 according to the invention.
  • a slot 13 in which windings 30 are arranged is flanked by two stator teeth 12 in the azimuthal direction 153 .
  • a pole shoe segment 20 is shown for each of these stator teeth 12 , which extends in the azimuthal direction 153 over part of the slot 13 .
  • each pole shoe segment 20 extends in the azimuthal direction 153 over part of the respective stator tooth 12.
  • the pole shoe segments 20 are spaced apart from the stator teeth 12 in the axial direction 151; in particular, they are not fastened to the stator teeth 12.
  • the pole piece segments 20 are attached to a housing 40 for the stator 10; only a section of the housing 40 is shown here.
  • FIG. 14 shows a section of a stator 10 according to the invention, largely similar to the embodiment shown in FIG.
  • the pole shoe segments 20 are partially embedded in a housing 40 for the stator 10 here.
  • the housing 40 can be a fiber composite part, for example, and the pole shoe segments 20 can be embedded in the housing 40, for example laminated therein. Configurations are also conceivable in which the pole shoe segments 20 are completely embedded in the housing 40 so that the pole shoe segments 20 do not protrude from the housing 40 .
  • FIG. 15 only shows a section of the housing 40 and the azimuthal direction 153 for orientation.
  • the pole shoe segments 20 are embedded in the housing 40 in such a way that they end flush with the housing 40 .
  • FIG. 16 is analogous to FIG. 15, but here the pole shoe segments 20 are embedded in the housing 40 in such a way that they are completely surrounded by the material of the housing 40.
  • FIG. 17 shows a section of a stator 10 according to the invention.
  • a slot 13 in which windings 30 are arranged is flanked by two stator teeth 12 in the azimuthal direction 153 .
  • each pole shoe segment 20 extends in the azimuthal direction 153 over part of the respective stator tooth 12.
  • Each pole shoe segment 20 is fastened in a fold 15 on the respective stator tooth 12.
  • the pole shoe segments 20 shown, which are associated with stator teeth 12 following one another in the azimuthal direction 153, are connected to one another in this embodiment. In particular, such two mutually connected pole shoe segments 20 can be manufactured in one configuration as a single component.
  • FIG. 18 shows a section of a stator 10 according to the invention.
  • a slot 13 in which stator windings 30 are arranged is flanked by two stator teeth 12.
  • FIG. 18 shows a section of a stator 10 according to the invention.
  • a slot 13 in which stator windings 30 are arranged is flanked by two stator teeth 12.
  • the azimuthal direction 153 is also shown. Also shown are two pole shoe segments 20 which are attached to a respective stator tooth 12 . In the embodiment shown, the pole piece segments 20 are of different sizes. Irrespective of this, this example also shows the attachment of the pole piece segments 20 to the stator teeth 12 without the use of a rabbet.

Abstract

Im Stator (10) einer Axialflussmaschine (100) sind einem Statorzahn (12) wenigstens zwei Polschuhsegmente (20) zugeordnet; die Polschuhsegmente (20) sind voneinander beabstandet. Insbesondere kann jedes Polschuhsegment (20) sowohl einen Teil eines Statorzahns (12) als auch einen Teil einer Nut (13) für Statorwicklungen (30) überdecken.

Description

STATOR FÜR EINE AXIALFLUSSMASCHINE
Die Erfindung betrifft elektrische Antriebe, spezieller Axialflussmaschinen, und dabei besonders die Ausgestaltung des Stators.
Elektrische Maschinen finden in vielfältigsten Bereichen der Technik Verwendung zu Antriebszwecken, in jüngerer Zeit auch verstärkt zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. Unter den mannigfachen Ausgestaltungsmöglichkeiten von Elektromotoren ist die Axialflussmaschine ein Beispiel. Bei dieser drehen sich im Betrieb ein oder mehrere Rotoren relativ zu ein oder mehreren bezüglich einer Einbauumgebung der Axialflussmaschine ortsfesten Statoren. Rotor(en) und Stator(en) sind dabei in einer axialen Richtung aufeinanderfolgend angeordnet. Im Rotor finden häufig Permanentmagnete Anwendung, der magnetische Fluss des Stators wird in der Regel mittels elektrischen Stroms erzeugt, welcher durch in Nuten zwischen Statorzähnen angeordnete Wicklungen (Statorwicklungen) geführt wird. Zur Beeinflussung des Feldverlaufs des magnetischen Feldes werden Polschuhe eingesetzt.
Eine bekannte Möglichkeit, die Polschuhe auszubilden, ist, deren Geometrie bereits beim Stanzen der Blechpakete für den Stator zu formen. Die Wicklungen werden nachträglich angebracht, hierbei kann die bereits vorhandene Polschuhgeometrie die Montage erschweren. Alternativ werden die Polschuhe separat gefertigt, die Wicklungen werden zuerst am Stator angebracht, und erst im Anschluss werden die Polschuhe am Stator befestigt; dies geschieht häufig durch Kleben. Eine solche Klebeverbindung muss darauf ausgelegt sein, den im Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden thermischen wie mechanischen Belastungen standzuhalten. In den Polschuhen selbst können Verluste auftreten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Stator für eine Axialflussmaschine bereitzustellen, bei dem zumindest einige der Nachteile im Zusammenhang mit Polschuhen gemildert oder beseitigt sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator gemäß Anspruch 1 . Anspruch 10 betrifft eine Axialflussmaschine mit solch einem Stator. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen.
Der erfindungsgemäße Stator für eine Axialflussmaschine hat in bekannter Weise eine Vielzahl von Statorzähnen. Erfindungsgemäß sind einem Statorzahn wenigstens zwei voneinander beabstandete Polschuhsegmente zugeordnet. Dies bedeutet insbesondere, dass sich die einem Statorzahn zugeordneten Polschuhsegmente nicht berühren. Die Verwendung mehrerer Polschuhsegmente pro Statorzahn an Stelle wie bisher eines einzigen großflächigen Polschuhs pro Statorzahn verringert die im Betrieb auf die Polschuhsegmente wirkenden Kräfte im Vergleich zu den auf einen großflächigen Polschuh wirkenden Kräften. Hierdurch ist die Fixierung der Polschuhsegmente im Stator erleichtert. Die Verwendung der Polschuhsegmente verringert zudem die innerhalb der Polschuhsegmente auftretenden Verluste im Vergleich zu den Verlusten in einem großflächigen Polschuh, was die Effizienz der elektrischen Maschine erhöht. Die Verwendung von Polschuhsegmenten an Stelle eines großflächigen Polschuhs verringert auch den Materialaufwand für die Polschuhsegmente im Vergleich zum Polschuh. Da die Polschuhsegmente separat gefertigt werden, kann die Montage der Statorwicklungen einfacher erfolgen als bei bereits beim Stanzen von Statorblechen ausgebildeter Polschuhgeometrie. Vorzugsweise kommen Polschuhsegmente auf jedem Statorzahn des Stators zum Einsatz. Die Polschuhsegmente können aus den gleichen Materialien gefertigt werden, die zur Herstellung bekannter Polschuhe verwendet werden.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter der azimutalen Richtung die Richtung verstanden, in die sich ein Rotor der Axialflussmaschine in deren Betrieb relativ zu einem Stator der Axialflussmaschine bewegt. Bei dieser Bewegung handelt es sich um eine Drehbewegung. Die Richtung der Drehachse dieser Drehbewegung definiert die axiale Richtung. Senkrecht auf sowohl der axialen Richtung als auch der azimutalen Richtung steht die radiale Richtung.
Bevorzugt sind die einem Statorzahn zugeordneten Polschuhsegmente derart ausgestaltet und angeordnet, dass ein Polschuhsegment sich in der azimutalen Richtung sowohl über einen Teil des Statorzahns als auch über einen Teil einer Nut für Statorwicklungen erstreckt, welche Nut in der azimutalen Richtung dem Statorzahn folgt oder dem Statorzahn vorhergeht. Insbesondere kann sich jedes einem Statorzahn zugeordnete Polschuhsegment in der eben genannten Weise über einen Teil des Statorzahns als auch einen Teil einer Nut erstrecken. Auf diese Weise gelingt es den Polschuhsegmenten insbesondere, an Rändern des Statorzahns auftretende unerwünschte magnetische Streufelder einzufangen und den Verlauf des magnetischen Flusses so zu verbessern, dass die durch Stromverdrängung zusätzlich entstehenden Verluste in den Statorwicklungen deutlich verringert werden. Es ist auch denkbar, innerhalb eines Stators Polschuhsegmente unterschiedlicher Größe zu verwenden, um weitere Verbesserungen zu erreichen.
In einer Weiterbildung ist in einem Polschuhsegment auf einer der Nut zugewandten Seite des Polschuhsegments eine Aussparung zur Führung eines Fluids vorgesehen. Als Fluid kann beispielsweise ein elektrisch isolierendes Kühlmittel verwendet werden; es kann sich dabei etwa um ein Öl handeln.
Bei einem sich in obigem Sinne über einen Teil der Nut erstreckenden Polschuhsegment kann dieses so ausgestaltet sein, dass es sich zur Nut hin verjüngt. Dies verbessert den Verlauf des magnetischen Feldes.
In einer Ausführungsform sind Polschuhsegmente, die in azimutaler Richtung aufeinanderfolgenden Statorzähnen zugeordnet sind, miteinander verbunden. Zwei solche Polschuhsegmente erstrecken sich dabei über eine Nut, welche von den zwei aufeinanderfolgenden Statorzähnen, denen jeweils eines der Polschuhsegmente zugeordnet ist, flankiert wird. Diese zwei Polschuhsegmente sind miteinander verbunden.
Ein Polschuhsegment kann an dem Statorzahn, dem es zugeordnet ist, fixiert sein; beispielsweise kann das Polschuhsegment an dem Statorzahn festgeklebt sein, andere Befestigungsmöglichkeiten sind jedoch denkbar. In einer Weiterbildung kann an dem Statorzahn ein Falz ausgebildet sein, der zur Aufnahme eines Teils des Polschuhsegments dient.
Es ist aber auch möglich, die Polschuhsegmente in der für sie vorgesehenen Position relativ zu dem Statorzahn, dem sie jeweils zugeordnet sind, zu halten, ohne die Polschuhsegmente am Statorzahn zu befestigen. Eine Möglichkeit hierfür ist, sich eines Gehäuses des Stators zu bedienen. Dies kann ein vollständiges Gehäuse oder ein Teilgehäuse, etwa ein Deckel, sein. Die Polschuhsegmente können am Gehäuse befestigt sein, beispielsweise mit dem Gehäuse verklebt sein; es ist auch möglich, Polschuhsegmente in das Gehäuse teilweise oder vollständig einzubetten, etwa wenn das Gehäuse aus einem Kunststoff gefertigt ist. Wird dann das Gehäuse in definierter Weise relativ zu den Statorzähnen angeordnet, so nehmen die Polschuhsegmente definierte Positionen zu den Statorzähnen ein, etwa so, dass sich ein Polschuhsegment in der azimutalen Richtung über einen Teil eines Statorzahns und einen Teil einer Nut erstreckt. Dabei ist es möglich, dass die Polschuhsegmente in axialer Richtung von den Statorzähnen beabstandet sind. Ein solches Gehäuse kann zudem, neben einer Schutzfunktion, auch dazu dienen, ein Fluid, etwa ein Kühlmedium, im Stator zu halten.
Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine hat wenigstens einen erfindungsgemäßen Stator der oben beschriebenen Art. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Stators ist bei jeder Art einer Axialflussmaschine einsetzbar, beispielsweise bei Axialflussmaschinen, die genau einen Stator und einen oder mehrere Rotoren haben, sowie bei Axialflussmaschinen, die genau einen Rotor und einen oder mehrere Statoren haben. Hat eine Axialflussmaschine mehr als einen Stator, so kann jeder dieser Statoren gemäß der Erfindung ausgestaltet sein.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Axialflussmaschine.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Axialflussmaschine.
Figur 3 zeigt einen Statorkern eines erfindungsgemäßen Stators mit Polschuhsegmenten.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator.
Figur 5 zeigt einen Statorkern für einen Stator einer Axialflussmaschine.
Figur 6 zeigt eine Wicklung für einen Stator einer Axialflussmaschine.
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators.
Figur 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators.
Figur 9 zeigt einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators.
Figur 10 zeigt einen Querschnitt eines Polschuhsegments.
Figur 11 zeigt einen Querschnitt eines Polschuhsegments. Figur 12 zeigt einen Querschnitt eines Polschuhsegments.
Figur 13 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator.
Figur 14 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator.
Figur 15 zeigt einen Ausschnitt aus einem Gehäuse für einen erfindungsgemäßen Stator.
Figur 16 zeigt einen Ausschnitt aus einem Gehäuse für einen erfindungsgemäßen Stator.
Figur 17 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator.
Figur 18 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator.
Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar; insbesondere sind die Figuren daher nicht als Beschränkung der Erfindung auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele aufzufassen.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Axialflussmaschine 100 mit einem Stator 10, der zwischen zwei Rotoren 110 angeordnet ist, welche durch eine gemeinsame Rotorwelle 120 verbunden sind. Eine solche Konfiguration einer Axialflussmaschine wird auch als H-Konfiguration bezeichnet. An den Rotoren 110 sind Permanentmagnete 111 vorgesehen. Im Betrieb der Axialflussmaschine 100 drehen sich die Rotoren 110 relativ zum Stator 10 um Drehachse 121 , deren Richtung die axiale Richtung 151 definiert. Die Richtung dieser Drehbewegung selbst ist hier senkrecht zur Zeichenebene und definiert die azimutale Richtung. Ferner ist noch die radiale Richtung 152 gezeigt. Der Stator 10 umfasst einen Statorkern 11 , der Wicklungen 30, etwa aus Kupfer, trägt. Der Statorkern 11 kann in bekannter Weise gebildet sein, etwa aus Paketen gestanzter Bleche.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Axialflussmaschine 100 mit einem Rotor 110, der zwischen zwei Statoren 10 angeordnet ist. Eine solche Konfiguration einer Axialflussmaschine wird als I-Konfiguration bezeichnet. Der Rotor 110 sitzt an einer Rotorwelle 120 und ist mit Permanentmagneten 111 versehen. Jeder der Statoren 10 umfasst einen Statorkern 11 , der Wicklungen 30 trägt. Sowohl in der Ausführungsform der Fig. 1 als auch der Fig. 2 können die Statoren 10 in erfindungsgemäßer Weise ausgestaltet sein. Erfindungsgemäße Statoren können aber auch in weiteren Konfigurationen einer Axialflussmaschine eingesetzt werden.
Fig. 3 zeigt einen Statorkern 11 mit Statorzähnen 12. Zwischen den Statorzähnen 12 sind Nuten 13 vorgesehen, die zur Aufnahme von Statorwicklungen dienen. Jeder Statorzahn 12 trägt zwei Polschuhsegmente 20. In der azimutalen Richtung 153 erstreckt sich jedes Polschuhsegment 20 über einen Teil des jeweiligen Statorzahns 12 und einen Teil der diesem Statorzahn 12 in der azimutalen Richtung 153 nachfolgenden bzw. vorhergehenden Nut 13. Die Polschuhsegmente 20 sind voneinander beabstandet, insbesondere berühren sie sich nicht. Bezogen auf einen Statorzahn 12 treten die beiden Polschuhsegmente 20 gemäß der Erfindung an die Stelle eines einzigen Polschuhs für den Statorzahn, der diesen großflächig, in der Regel auf der gesamten Stirnseite, bedeckt.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines Stators 10 mit Statorkern 11. Eine Nut 13, in der Statorwicklungen 30 angeordnet sind, wird in azimutaler Richtung 153 von zwei Statorzähnen 12 flankiert. Zu jedem dieser Statorzähne 12 ist ein Polschuhsegment 20 dargestellt, welches sich in azimutaler Richtung 153 über einen Teil der Nut 13 erstreckt. Zwischen den Polschuhsegmenten 20 ist dadurch ein Spalt 21 gebildet, mit einer Spaltbreite 22, die geringer ist als eine Nutbreite 14, jeweils gemessen in der azimutalen Richtung 153. An jedem Statorzahn 12 ist ein Falz 15 ausgebildet, in den ein Teil des jeweiligen Polschuhsegments 20 aufgenommen ist.
Fig. 5 zeigt einen Statorkern 11 mit Statorzähnen 12 und zwischen den Statorzähnen 12 vorgesehenen Nuten 13. Der Statorkern 11 ist mit einer elektrisch isolierenden Schicht 16 versehen. Die Verwendung einer elektrisch isolierenden Schicht 16 ist üblich, auf die Darstellung dieser Schicht wird jedoch in den meisten Zeichnungen hierin aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
Fig. 6 zeigt eine Statorwicklung 30, die in einem erfindungsgemäßen Stator verwendet werden kann. Solche Wicklungen werden in den Statorkern 11 , etwa den in Fig. 5 gezeigten, eingesetzt und verlaufen teilweise in dessen Nuten 13.
Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators 10. Dargestellt sind der Statorkern 11 mit Statorzähnen 12 und zwischen diesen verlaufende Wicklungen 30. Zur Orientierung ist auch noch ein Permanentmagnet 111 eines Rotors einer Axialflussmaschine dargestellt, in einer Position, an der er sich bei zusammengebauter Axialflussmaschine befinden kann. Die Statorzähne 12 sind mit Polschuhsegmenten 20 versehen; zur Aufnahme eines Polschuhsegments 20 ist am jeweiligen Statorzahn 12 jeweils ein Falz 15 vorgesehen. Zwischen zwei benachbarten Polschuhsegmenten 20 zu verschiedenen Statorzähnen 12 ist ein Spalt 21 gebildet.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Polschuhsegmente 20 quaderförmig, insbesondere ist ein Querschnitt mit einer Schnittebene senkrecht zur radialen Richtung rechteckig.
Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators 10. Der grundsätzliche Aufbau ist analog zu dem in Fig.
7 diskutierten Ausführungsbeispiel, so dass wegen der Beschreibung der meisten der gezeigten Elemente auf die Fig. 7 verwiesen wird.
Im Unterschied zu der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ist an den Polschuhsegmenten 20 eine Aussparung 23 zur Führung eines Fluids vorgesehen. Die Aussparung 23 ist den Wicklungen 30 und damit jeweils einer Nut 13 zugewandt. Durch die Aussparung 23 besteht im Bereich der Wicklungen 30 mehr Volumen, durch das ein Fluid, etwa ein elektrisch isolierendes Kühlmedium, geleitet werden kann.
Fig. 9 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators 10. Der grundsätzliche Aufbau ist analog zu dem in Fig.
7 diskutierten Ausführungsbeispiel, so dass wegen der Beschreibung der meisten der gezeigten Elemente auf die Fig. 7 verwiesen wird.
Im Unterschied zu der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ist an den Polschuhsegmenten 20 jeweils ein sich verjüngender Bereich 24 vorgesehen. Durch diesen sich verjüngenden Bereich 24 und die Anordnung der Polschuhsegmente 20 ergibt sich, dass sich die Polschuhsegmente 20 jeweils zu einer Nut 13 hin oder auch zu einem Spalt 21 zwischen benachbarten Polschuhsegmenten 20 zu unterschiedlichen Statorzähnen 12 hin verjüngen.
Die Figuren 10 - 12 zeigen jeweils einen Querschnitt eines Polschuhsegments 20. Die Schnittebene ist dabei jeweils senkrecht zur radialen Richtung, bei in einem erfindungsgemäßen Stator verbauten Polschuhsegmenten 20. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 10 ist der Querschnitt rechteckig, wie auch in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 11 weist das Polschuhsegment 20 eine Aussparung 23 zur Führung eines Fluids auf, wie auch in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 12 weist das Polschuhsegment 20 einen sich verjüngenden Bereich 24 auf, wie auch in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 9.
Fig. 13 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator 10. Eine Nut 13, in der Wicklungen 30 angeordnet sind, wird in azimutaler Richtung 153 von zwei Statorzähnen 12 flankiert. Zu jedem dieser Statorzähne 12 ist ein Polschuhsegment 20 dargestellt, welches sich in azimutaler Richtung 153 über einen Teil der Nut 13 erstreckt. Ebenso erstreckt sich jedes Polschuhsegment 20 in azimutaler Richtung 153 über einen Teil des jeweiligen Statorzahns 12. Die Polschuhsegmente 20 sind in axialer Richtung 151 von den Statorzähnen 12 beabstandet, insbesondere sind sie nicht an den Statorzähnen 12 befestigt. Die Polschuhsegmente 20 sind an einem Gehäuse 40 für den Stator 10 befestigt; von dem Gehäuse 40 ist hier nur ein Ausschnitt gezeigt.
Fig. 14 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator 10, weitgehend ähnlich zu der in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform sind hier die Polschuhsegmente 20 teilweise in ein Gehäuse 40 für den Stator 10 eingebettet. Das Gehäuse 40 kann beispielsweise ein Faserverbundteil sein, und die Polschuhsegmente 20 können in das Gehäuse 40 eingebettet, etwa einlaminiert sein. Es sind auch Ausgestaltungen denkbar, in denen die Polschuhsegmente 20 vollständig in das Gehäuse 40 eingebettet sind, so dass die Polschuhsegmente 20 nicht aus dem Gehäuse 40 hervorragen. Dies ist in den Figuren 15 und 16 dargestellt. Fig. 15 zeigt lediglich einen Ausschnitt des Gehäuses 40 und die azimutale Richtung 153 zur Orientierung. Die Polschuhsegmente 20 sind so in das Gehäuse 40 eingebettet, dass sie bündig mit dem Gehäuse 40 abschließen. Fig. 16 ist analog zur Fig. 15, nur sind hier die Polschuhsegmente 20 so in das Gehäuse 40 eingebettet, dass sie vollständig vom Material des Gehäuses 40 umschlossen sind.
Fig. 17 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator 10. Eine Nut 13, in der Wicklungen 30 angeordnet sind, wird in azimutaler Richtung 153 von zwei Statorzähnen 12 flankiert. Zu jedem dieser Statorzähne 12 ist ein Polschuhsegment 20 dargestellt, welches sich in azimutaler Richtung 153 über einen Teil der Nut 13 erstreckt. Ebenso erstreckt sich jedes Polschuhsegment 20 in azimutaler Richtung 153 über einen Teil des jeweiligen Statorzahns 12. Jedes Polschuhsegment 20 ist in einem Falz 15 am jeweiligen Statorzahn 12 befestigt. Die gezeigten Polschuhsegmente 20, die in azimutaler Richtung 153 aufeinanderfolgenden Statorzähnen 12 zugeordnet sind, sind in dieser Ausführungsform miteinander verbunden. Insbesondere können solche zwei miteinander verbundenen Polschuhsegmente 20 in einer Ausgestaltung als ein einziges Bauteil gefertigt sein.
Fig. 18 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Stator 10. Eine Nut 13, in der Statorwicklungen 30 angeordnet sind, ist von zwei Statorzähnen 12 flankiert.
Ferner ist die azimutale Richtung 153 dargestellt. Gezeigt sind außerdem zwei Polschuhsegmente 20, die an einem jeweiligen Statorzahn 12 befestigt sind. In der gezeigten Ausführungsform haben die Polschuhsegmente 20 unterschiedliche Größe. Unabhängig davon zeigt dieses Beispiel auch die Befestigung der Polschuhsegmente 20 an den Statorzähnen 12 ohne Verwendung eines Falzes.
Bezugszeichenliste:
10 Stator
11 Statorkern
12 Statorzahn
13 Nut
14 Nutbreite
15 Falz
16 elektrisch isolierende Schicht
20 Polschuhsegment
21 Spalt
22 Spaltbreite
23 Aussparung
24 sich verjüngender Bereich
30 Wicklung
40 Gehäuse / Deckel
100 Axialflussmaschine
110 Rotor
111 Permanentmagnet
120 Rotorwelle
121 Drehachse
151 axiale Richtung
152 radiale Richtung
153 azimutale Richtung

Claims

Patentansprüche
1 . Stator (10) für eine Axialflussmaschine (100), der Stator (10) umfassend eine Vielzahl von Statorzähnen (12); dadurch gekennzeichnet, dass einem Statorzahn (12) wenigstens zwei voneinander beabstandete Polschuhsegmente (20) zugeordnet sind.
2. Stator (10) nach Anspruch 1 , wobei die einem Statorzahn (12) zugeordneten Polschuhsegmente (20) derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass ein Polschuhsegment (20) sich in einer azimutalen Richtung (153) sowohl über einen Teil des Statorzahns (12) als auch über einen Teil einer Nut (13) für Statorwicklungen (30) erstreckt, welche Nut (13) in der azimutalen Richtung (153) dem Statorzahn (12) folgt oder dem Statorzahn (12) vorhergeht.
3. Stator (10) nach Anspruch 2, wobei in einem Polschuhsegment (20) auf einer der Nut (13) zugewandten Seite des Polschuhsegments (20) eine Aussparung (23) zur Führung eines Fluids vorgesehen ist.
4. Stator (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei sich das Polschuhsegment (20) zur Nut (13) hin verjüngt.
5. Stator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Polschuhsegmente (20), die aufeinanderfolgenden Statorzähnen (12) zugeordnet sind, miteinander verbunden sind.
6. Stator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Polschuhsegment (20) an dem Statorzahn (12), dem es zugeordnet ist, befestigt ist.
7. Stator (10) nach Anspruch 6, wobei am Statorzahn (12) ein Falz (15) zur Aufnahme eines Teils des Polschuhsegments (20) vorgesehen ist.
8. Stator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Gehäuse (40) für den Stator (10) vorgesehen ist, und ein Polschuhsegment (20) an dem Gehäuse (40) befestigt und / oder in das Gehäuse (40) eingebettet ist.
9. Stator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Polschuhsegmente (20) des Stators (10) sich in ihrer Größe unterscheiden.
10. Axialflussmaschine (100) mit mindestens einem Stator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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