WO2023151753A1 - Elektrische axialflussmaschine - Google Patents

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WO2023151753A1
WO2023151753A1 PCT/DE2023/100082 DE2023100082W WO2023151753A1 WO 2023151753 A1 WO2023151753 A1 WO 2023151753A1 DE 2023100082 W DE2023100082 W DE 2023100082W WO 2023151753 A1 WO2023151753 A1 WO 2023151753A1
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stator
busbars
coils
stator coils
axial flow
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PCT/DE2023/100082
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French (fr)
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Dirk Reimnitz
Stefan Riess
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02K2203/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the windings
    • H02K2203/09—Machines characterised by wiring elements other than wires, e.g. bus rings, for connecting the winding terminations

Definitions

  • the present invention relates to an electric axial flux machine, in particular for a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle, comprising a stator with a plurality of stator coils distributed over the circumference of the stator and power electronics for energizing the stator coils and a high-voltage terminal for establishing an electrical connection between the stator coils and the power electronics.
  • 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 trains.
  • An axial flux machine is a dynamo-electric machine in which the magnetic flux between the rotor and stator runs parallel to the axis of rotation of the rotor. Both the stator and the rotor are often largely disc-shaped educated. Axial flow machines are particularly advantageous when the space available axially is limited in a given application. This is often the case, for example, with the electric drive systems for electric vehicles described at the outset.
  • another advantage of the axial flow machine is its comparatively high torque density. The reason for this is the larger air gap area compared to radial flux machines, which is available for a given installation space. Furthermore, a lower iron volume is required compared to conventional machines, which has a positive effect on the efficiency of the machine.
  • an axial flow machine Due to its disk-shaped main assemblies, an axial flow machine is particularly well suited for applications in which a very short overall length of the electric motor is important and in which a relatively large motor diameter is still acceptable. When developing corresponding axial flow machines, it is therefore regularly sensible to strive for the shortest possible design, although the outer diameter of the axial flow machine should not be larger than absolutely necessary. In the case of axial flow machines for motor vehicles, there are also always additional requirements for low weight, high power density and low costs. This also applies to the power supply of an axial flow machine.
  • an electric axial flux machine in particular for a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle, comprising a stator with a plurality of stator coils distributed over the circumference of the stator and power electronics for energizing the stator coils and a high-voltage terminal for producing an electrical Connection between the stator coils and the power electronics, busbars being arranged in the radial direction above the stator coils, which ring-shaped enclose the stator and/or a rotor which can be rotated relative to the stator, and the stator coils are electrically connected to the high-voltage terminal connect.
  • the ring-shaped busbars can be closed all the way round or be open at one point on the circumference.
  • the power rails can also be designed to enclose only part of the perimeter.
  • the magnetic flux in an electric axial flux machine is directed axially in the air gap between the stator and rotor to a direction of rotation of the rotor of the axial flux machine.
  • an axial flow machine in an I-arrangement or an H-arrangement.
  • the rotor is arranged axially next to a stator or between two stators.
  • two rotors are placed on opposite axial sides of a stator.
  • the axial flow machine according to the invention is preferably configured in an I arrangement.
  • a plurality of rotor-stator configurations it is also possible for a plurality of rotor-stator configurations to be arranged axially next to one another as an I-type and/or H-type.
  • the rotor-stator configuration of the H-type and/or the I-type are each configured essentially identically, so that they can be assembled in a modular manner to form an overall configuration.
  • Such rotor-stator configurations can in particular be arranged coaxially to one another and can be connected to a common rotor shaft or to a plurality of rotor shafts.
  • the stator of the electrical axial flow machine preferably has a stator body with a plurality of stator windings arranged in the circumferential direction. Viewed in the circumferential direction, the stator body can be designed in one piece or in segments.
  • the stator body can be formed from a laminated stator core with a plurality of laminated electrical laminations. Alternatively, the stator body can also be formed from a pressed soft magnetic material, such as the so-called SMC material (Soft Magnetic Compound).
  • the rotor of an electrical axial flow machine can be designed at least in part as a laminated rotor.
  • a laminated rotor is formed in layers in the radial direction.
  • the rotor of an axial flow machine can also have a rotor carrier, which is designed to be fitted with magnetic sheets and/or SMC material and with magnetic elements designed as permanent magnets.
  • a rotatably mounted shaft of an electrical machine is referred to as a rotor shaft, with which the rotor or rotor body is coupled in a torque-proof manner.
  • the electrical axial flow machine can also have a control device.
  • a control device as can be used in the present invention, is used in particular for the electronic control and/or regulation of one or more technical systems of the electrical axial flow machine.
  • a control device has, in particular, a wired or wireless signal input for receiving electrical signals, in particular, such as sensor signals. Furthermore, has a control device also preferably a wired or wireless signal output for the transmission of electrical signals in particular.
  • Control operations and/or regulation operations can be carried out within the control device. It is very particularly preferred that the control device includes hardware that is designed to run software.
  • the control device preferably comprises at least one electronic processor for executing program sequences defined in software.
  • the control device can also have one or more electronic memories in which the data contained in the signals transmitted to the control device can be stored and read out again. Furthermore, the control device can have one or more electronic memories in which data can be stored in a changeable and/or unchangeable manner.
  • a control device can include a plurality of control devices, which are arranged in particular spatially separated from one another in the motor vehicle.
  • Control units are also referred to as electronic control units (ECU) or electronic control modules (ECM) and preferably have electronic microcontrollers for carrying out computing operations for processing data, particularly preferably using software.
  • the control devices can preferably be networked with one another, so that a wired and/or wireless data exchange between control devices is made possible.
  • bus systems present in the motor vehicle such as a CAN bus or LIN bus.
  • the control device very particularly preferably has at least one processor and at least one memory, which in particular contains a computer program code, the memory and the computer program code being configured with the processor to cause the control device to execute the computer program code.
  • the control unit can particularly preferably include power electronics for energizing the stator or rotor. Power electronics is preferably a combination of different components that control or regulate a current to the electrical machine, preferably including peripheral components required for this purpose, such as cooling elements or power supply units. In particular, the power electronics contain one or more power electronics components that are set up to control or regulate a current. This is particularly preferably one or more power switches, such as power transistors.
  • the power electronics particularly preferably have more than two, particularly preferably three, phases or current paths which are separate from one another and each have at least one separate power electronics component.
  • the power electronics are preferably designed to control or regulate a power per phase with a peak power, preferably continuous power, of at least 1,000 W, preferably at least 10,000 W, particularly preferably at least 100,000 W.
  • the electrical axial flux machine is intended in particular for use within a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle.
  • the electric 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 50 kW, preferably more than 100 kW and in particular more than 250 kW.
  • the electric machine provides operating speeds greater than 5,000 rpm, particularly preferably greater than 10,000 rpm, very particularly preferably greater than 12,500 rpm.
  • the electric machine has operating speeds between 5000-15000 rpm, most preferably between 7500-13000 rpm.
  • the electrical axial flow machine can preferably also be installed in an electrically operable axle drive train.
  • An electric axle drive train of a motor vehicle includes an electric axial flow machine and a transmission, the electric axial flow machine and the transmission forming a structural unit. It can be provided in particular that the electrical Axial flow machine and the transmission are arranged in a common drive train housing. Alternatively, of course, it would also be possible for the electric axial flow machine to have a motor housing and the gearbox to have a gearbox housing, in which case the structural unit can then be effected by fixing the gearbox in relation to the electric axial flow machine. This structural unit is sometimes also referred to as the E-axis.
  • the electrical axial flow machine can also be provided particularly preferably for use in a hybrid module.
  • a hybrid module structural and functional elements of a hybridized drive train can be spatially and/or structurally combined and preconfigured, so that a hybrid module can be integrated in a particularly simple manner into a drive train of a motor vehicle.
  • an axial flow machine and a clutch system in particular with a separating clutch for coupling the axial flow machine into and/or decoupling the axial flow machine from the drive train, can be present in a hybrid module.
  • a high-voltage terminal within the meaning of this application is the particularly detachable connection point between the busbars and the electrical conductors (e.g. cables) that connect the electrical machine to the power electronics (and consists of the components that form this connection point.
  • busbars with connection points for include the electrical connection to the power electronics and preferably also connection points for the busbars of the electrical machine.
  • the connection points can be designed, for example, as screw and/or plug-in contacts.
  • the high-voltage terminal is designed for connecting a multi-phase power connection.
  • the high-voltage terminal is positioned radially above the busbars, which also contributes to a compact axial design and easy assembly of the power connections.
  • the stator coils each have a first coil end and a second coil end, the first coil end having a radially running section and an axially running section, and the axially running section electrically connects one of the busbars contacted and/or the second coil end has a radially extending section and an axially extending section, and the axially extending section makes electrical contact with one of the busbars or a star point busbar or another coil.
  • This can also support an axially particularly compact design of the axial flow machine. Furthermore, this can also help to form the stator coils with equal parts, with corresponding cost advantages.
  • the axial flux machine is configured in an I design, in which the stator has a first disk-shaped stator body and a second disk-shaped stator body spaced axially from this and axially between the first stator body and the A rotor is arranged on the second stator body, the first stator body having a plurality of first stator coils distributed over the circumference of the first stator body and the second stator body having a plurality of second stator coils distributed over the circumference of the second stator body, and first in the radial direction above the first stator coils Busbars are arranged, which enclose the first stator ring-shaped and electrically conductively connect the first stator coils and/or the second stator coils to the high-voltage terminal and second busbars are arranged in the radial direction above the second stator coils, which ring-shaped enclose the second stator body and electrically conductively connect the first stator coil
  • the busbars and the interconnection area for both stator bodies can be arranged radially outside of the rotor.
  • Almost all current-carrying components of the connection area can thus be arranged radially outside the stator coils of the electromagnets and are also located axially within the axial area, which corresponds to the width of the rotor plus half the width of the two laterally adjacent stator bodies.
  • An axial flux machine can thus be provided in an I-arrangement, the busbars and their interconnection areas for both stator bodies axially within the axial area between the side of the stator iron (yoke) of one stator body facing away from the rotor and the side of the stator iron (yoke) facing away from the rotor of the other stator body. Due to the radial arrangement of busbars and coil circuitry or connection, the axial length of the axial flux machine in I-configuration can be made very short.
  • the two opposite stator coils connected in series can preferably be connected to a common busbar system radially outside of the rotor.
  • the conductor rail system can be aligned centrally to the rotor so that the connecting wires of the stator coils in the opposite stator bodies can be of the same length and thus identically constructed stator coils can be used for both stator bodies.
  • very short winding ends of the stator coils and a series connection of the opposite stator coils can also be realized in a very simple manner.
  • the wiring and contacting positions are easily accessible, which makes assembly noticeably easier.
  • the respective opposite (that is, on the opposite sides of the rotor) stator coils could also be connected to a common busbar system without the stator coils having to be connected in series.
  • stator coils can be of essentially identical design, which can contribute to a significant cost optimization of the axial flux machine.
  • first busbars and the second busbars are connected to the common high-voltage terminal.
  • busbars are accommodated at least in sections in a ring-shaped or ring-segment-shaped insulating body, which on the one hand simplifies the defined fixing of the busbars to one another and at the same time can provide electrical insulation of the busbars from one another.
  • the insulating body has an E-shaped contour in cross section with two radially spaced grooves open on one side, in which the busbars are accommodated, which is particularly favorable in terms of production and assembly has proven.
  • an axial and radial elastic movement decoupling takes place between the stator and the power connections.
  • This can be implemented, for example, by means of elastically deformable busbars and/or elastically deformable connecting straps between the busbars and the power connection bolts
  • a pair of coils arranged on opposite sides of the rotor is electrically connected in series.
  • FIG. 1 shows an axial flux machine in a schematic axial sectional view
  • FIG. 2 shows a detailed view of the axial flow machine from FIG. 1 in an axial section
  • FIG. 3 shows a detailed view of the axial flow machine from FIG. 1 in an axial section
  • FIG. 4 shows an isolated representation of the coil connection of an axial flow machine in a perspective view
  • FIG. 5 shows a detailed representation of the coil connection of the axial flow machine from FIG. 4 in a perspective view
  • FIG. 6 shows a hybrid and an all-electrically operable motor vehicle in a block diagram.
  • FIG. 1 shows an electric axial flow machine 1, in particular for a drive train 2 of a hybrid or fully electrically operated motor vehicle 3, as is sketched in FIG. 6 as an example.
  • the axial flow machine 1 shown comprises a stator 4 with a plurality of stator coils 5 distributed over the circumference of the stator 4 and power electronics 6 for energizing the stator coils 5 and a high-voltage terminal 7 for establishing an electrical connection between the Stator coils 5 and the power electronics 6, which can be seen clearly from the combination of Figures 1 and 4.
  • Conductor rails 8 are arranged in the radial direction above the stator coils 5 , enclosing the stator 4 in a ring shape and electrically conductively connecting the stator coils 5 to the high-voltage terminal 7 .
  • the axial flux machine 1 is configured in the I version, in which the stator 4 has a first disk-shaped stator body 15 and a second disk-shaped stator body 16 spaced axially from this and axially between the first stator body 15 and the second stator body 16 a rotor 17 is arranged.
  • the first stator body 15 has a plurality of first stator coils 5 distributed over the circumference of the first stator body 15 and the second stator body 16 has a plurality of second stator coils 25 distributed over the circumference of the second stator body 16 .
  • first busbars 8 Arranged in the radial direction above the first stator coils 5 are first busbars 8 which annularly enclose the first stator body 15 and electrically conductively connect the first stator coils 5 and/or the second stator coils 25 to the high-voltage terminal 7 .
  • second busbars 18 Arranged in the radial direction above the second stator coils 25 are second busbars 18 which analogously enclose the second stator body 15 in a ring shape and electrically conductively connect the first stator coils 5 and/or the second stator coils 25 to the high-voltage terminal 7 .
  • the stator 4 thus consists of two stator bodies 15, 16 which are connected to one another radially on the outside and which are connected to the rotor shaft 22 in a rotationally decoupled manner radially on the inside via a bearing point in each case.
  • the Rotor17 is attached to the rotor shaft 22 and consists of a disk-shaped section which extends radially outwards between the two stator bodies 15,16.
  • the air gaps through which the axial magnetic flux of the axial flux machine 1 runs are located between the two stator bodies 15 , 16 and the rotor 17 .
  • the magnetic spring of the axial flow machine 1 can produce a torque that acts on the rotor 17 and is introduced into the rotor shaft 22 by the latter.
  • the rotor shaft 22 protrudes in the axial direction from the axial flow machine 1 and thus forms the transmission element through which the torque of the electrical Axial flow machine 1 can be transferred to an adjacent unit.
  • This adjacent unit can be a transmission, a differential, a shaft or a wheel of motor vehicle 3, for example.
  • the stator half facing the transmission is connected radially on the inside to the housing 23 which surrounds the electrical axial flow machine 1 .
  • the housing 23 has a side wall or intermediate wall which is screwed to the second stator body 16 . It makes sense to arrange several screws around the circumference.
  • the rotor 17 is equipped with permanent magnets and the stator 4 with electromagnets.
  • the two stator bodies 15,16 there are several electromagnets (poles) distributed around the circumference, each of which consists of a coil 5,25 which runs around a coil core (a tooth of the stator iron).
  • the coils 5, 25 of these two electromagnets form a pair of coils, the coils of which are arranged one behind the other in the axial direction (on opposite sides of the rotor 17).
  • the sectional plane of FIG. 1 runs through such a pair of coils.
  • these two coils 5.25 are electrically connected in series, so that the output of one coil 5.25 is connected to the input of the other coil 5.25.
  • the opposite coil 25 of the pair of coils 5,25 has a comparable coil end 10, which meets the other coil end 9. Both coil ends 9,10 meet radially outside of the rotor 17 and can be electrically connected to one another there. With the one pictured Embodiment overlap the coil ends 9.10. The overlapping parts of the coil ends 9,10 are freed from the insulating layer surrounding the coil wire and are connected to one another, for example welded, soldered or pressed.
  • busbars 8 , 18 arranged radially outside of the rotor 17 .
  • three busbars current phase-U, current phase-V and current phase-W
  • a star point bar are designed as curved sheet metal components (e.g. sheet copper) running completely or almost completely around the axial flow machine 1 .
  • Two of these busbars 8,18 are arranged in an insulating body 19 that is open on one side. This insulating body 19 runs annularly around the electrical axial flow machine 1 and has a rectangular cross section with two deep, axially running grooves 20, 21, so that the cross section of the insulating body 19 is pronounced of an “E”.
  • two insulating bodies 19 are arranged on opposite axial sides in the annular space between the stator 4 and the motor housing 23 .
  • the grooves 20,21 of the insulator 19 point to the center and each take one of the current-carrying busbars 8,18 or a neutral point rail.
  • connection lugs 24 form the electrical connection points of the busbars 8.18 and the star point rail with which the busbar or star point rails are connected to the coils 5.25, as can also be seen clearly in FIG.
  • the three power rails for the power phases (power-phase-U, power-phase-V, and power-phase-W) point also in each case a connecting strap 24 which is connected to the phase connection of the axial flow machine 1 (power connection bolt).
  • each current-carrying rail can be arranged in its own insulating body 19, or more than two current-carrying rails can also be accommodated in one insulating body 19.
  • the insulating body 19 can have its own circumferential groove 20, 21 for each current-carrying rail (for example, several radially staggered grooves 20, 21 one above the other and/or grooves 20, 21 go from the two axially opposite sides into the cross section of the insulating body 19). If the current-carrying conductors do not run completely around the electrical axial flow machine 1, a plurality of rails can also be arranged in a circumferential groove 20, 21 of an insulating body 19 on different areas of the circumference.
  • star point rails distributed over the circumference can also be used each of which a coil group or an integer number of coil groups, each consisting of a pair of coils connected to the current phase U, a coil pair connected to the current phase V connected pair of coils and a pair of coils connected to the power phase-W.
  • These star point lights, which are not connected to all pairs of coils can also be arranged well in a circumferential groove 20, 21 of an insulating body 19 on the circumference one behind the other.
  • the busbars 8,18 can be arranged geometrically very close to the stator components, which are made of electrically conductive material and form the axial side walls of the annular space, without the necessary air and to undercut creepage distances. Inwards, where the two oppositely arranged insulators 19 are open, there is enough space between the conductors to maintain the necessary clearances and creepage distances.
  • a further insulating insert 26 e.g. a plastic film or insulating paper lies radially inwards in the annular space. This insulating insert 26 can be seen in FIG.
  • the stator casing 27 is a tubular component which mechanically connects the two stator bodies 15, 16 to one another and delimits the rotor space from the annular space in which the power supply is housed.
  • the necessary clearances and creepage distances from the current-carrying rails and the connection points of the coils 5, 25 to the adjacent stator components are realized radially inwards by the insulating insert 26.
  • the insulating insert 26 In the exemplary embodiment shown, there is sufficient distance radially outwards towards the motor housing 23 in order to maintain the necessary clearances and creepage distances.
  • a further insulating insert can be used in order to electrically insulate the annular space toward the motor housing 23 in the radial direction.
  • FIG. 3 shows a further detail of the axial flow machine 1 already shown in FIGS. 1-2.
  • the course of the section in FIG. 3 is offset somewhat on the circumference compared to that in FIG. 1 and FIG.
  • the connection points between each of the three busbars (current phase U, current phase V and current phase W) and a coil 5.25 are technically analogous way solved.
  • the connection points of the power supply system can also be seen in the following perspective illustrations of Figures 4-5.
  • the wire ends of the coils 5.25 are freed from the insulating layer surrounding the coil wire and are also provided with the bare extensions of the current-carrying Rails electrically connected (e.g. welded, soldered or pressed).
  • the electrical connection points of the axial flow machine 1 can also be designed to butt instead of overlapping and then be welded or soldered, for example.
  • Figures 1-3 show that the connection and power supply of the coils 5.25 via the radially arranged above the rotor 17 power supply system, which essentially consists of the busbars 8.18, the phase connections and the electrical connection elements or connections between these components and between these components and the coils 5,25.
  • No electrical connecting elements are required axially behind the stator iron.
  • all electrical conductors can be arranged in the central axial area of the axial flow machine 1 using the construction principle described here. This area extends from the side of the stator iron [yoke] of one stator body 15 that faces away from the rotor 17 to the side of the stator iron [yoke] of the other stator body 16 that faces away from the rotor 17.
  • the axial flow machine 1 can be built axially very short.
  • the busbars 8, 18 are integrated into the mechanical structure of the stator 4 in a very space-saving manner by integrating the busbars 8, 18 into an annular space which is formed by the stator casing 27 and is closed radially on the outside by the motor housing 23.
  • the annular space in which the current-carrying rails are accommodated can also be covered radially on the outside by an additional motor element, so that the current busbars are completely surrounded by motor parts and no additional motor housing is required to cover the current-carrying rails.
  • the stator shell 27 is an annular or tubular component (or an annular or tubular assembly) that completely encloses the rotor 17 and has a flange at each of its two axial end regions, which extends radially outwards past the annular space and on each of which a Stator side wall is attached.
  • a Stator side wall is attached in the flanges of the stator casing 27 there are several openings distributed over the circumference, through which the connecting wires of the coils 5, 25 protrude. It is particularly useful to pull both coil ends 9,10 of a coil 5,25 through the same opening in the flange of the stator casing 27, since this reduces the eddy current losses of the axial flow machine 1.
  • the mechanical connection between the stator casing 27 and the respective stator side wall requires a larger radial installation space than the tubular, axial central part of the stator casing 27.
  • the axial flow machine 1 is no larger radially over large parts of the circumference, even with the power supply system arranged radially on the outside, than it would have to be anyway in order to accommodate the mechanical structure of the stator 4 ( e.g. the fastening elements).
  • the motor housing 23 must be pulled further radially outwards in order to create space for the phase connections and, if necessary, to fix the phase connections mechanically. In the motor design presented here, however, this additional radial installation space is only required at one point on the motor circumference.
  • the annular space in which the power supply system and its connection points are accommodated is only closed radially on the outside when the axial flow machine 1 is installed in the motor housing 23 .
  • all connection points of the power supply system are very easily accessible during the assembly process of the axial flow machine 1 .
  • the annular space in which the power supply system is housed is sealed between the stator 4 and the motor housing 23 by seals (for example O-rings). This prevents the ingress of dirt or moisture and also offers the possibility of Flooding the annular space with a fluid that is introduced intentionally, for example cooling of the electrical conductors can be realized in this way.
  • Axially offset phase connections 28 can then be positioned, for example, on the same radius as the busbars 8 , 18 on the end face of the axial flow machine 1 .
  • the phase connections 28 can alternatively also be guided out of the axial flux machine 1 lying axially and/or radially outside of the stator geometry.
  • This embodiment can be advantageous according to the space integration of the axial flow machine 1 .
  • the three phase connections 28 can also be positioned distributed over the circumference of the axial flow machine 1 instead of in the immediate vicinity of one another.
  • FIG. 4 shows the coils 5, 25 of an axial flux machine 1 together with a few neighboring components in a correspondingly exposed perspective view.
  • the busbars 8.18 can be seen at least partially, the two insulators 19, which actually enclose each current-carrying rail over its entire circumferential length, have been removed on part of the circumference in the front part of the illustrations.
  • the width of the busbars 8 , 18 is gradually reduced the further away the areas of the busbars 8 , 18 are from the phase connection 28 of the electric axial flow machine 1 .
  • the phase connections 28 of the axial flow machine 1 on the high-voltage terminal 7 can be seen in FIGS. 4-5.
  • the high-voltage terminal 7 is positioned radially above the busbars 8 , 18 .
  • Each of the three busbars 8 , 18 is connected to a power connection bolt 30 by a connecting strap 29 .
  • the three power connection bolts 30 are mechanically connected to the remaining motor components via a common base 31 .
  • the base 31 mechanically fixes the power studs 30 and electrically insulates the power studs 30 .
  • the base 31 also ensures the required clearances and creepage distances both between the power connection bolts 30 and between the power connection bolts 30 and the electrically conductive stator or housing components.
  • the power connection bolts 30 have flattened areas with a threaded hole, to which an electrical conductor can be screwed tight.
  • first busbars 8 and the second busbars 18 are connected to the common high-voltage terminal 7 .
  • the busbars 8,18 are accommodated at least in sections in an insulating body 19 in the shape of a ring or ring segment, with the insulating body 19 having an E-shaped contour in cross section with two radially spaced grooves 20,21 which are open on one side and in which the busbars 8,18 are recorded.
  • the connecting lugs 29, which connect the conductor rails 8, 18 to the connecting bolts 30, are intentionally thin and angled several times.
  • relative position deviations and/or small relative movements and/or axial movements, which are caused, for example, by component tolerances, elastic component deformations or thermal expansions can arise between the busbars 8.18 and the power connection bolt 30 by a deformation (preferably an elastic deformation) of the connecting straps 29 are compensated.
  • This balancing capacity of the connecting lugs 29 is particularly useful in the motor concept shown, since the stator 4 of this axial flow machine 1 is bolted to a side wall of the housing 23 on an axial side of the motor, radially in the vicinity of the shaft bearings, and the base 31 of the power connection bolt 30 is radially outside of the Rotor 17 and is connected to the housing 23 radially outside of the busbars 8 , 18 . Due to the remote fastening points of the stator 4, which also includes the busbars 8,18, and the power connection bolts 30, positional inaccuracies during assembly or changes in position during operation of the axial flow machine 1 between the busbars 8,18 and the power connection bolts 30 are very likely.
  • Figures 4-5 also show that all electrical conductors that supply the stator coils 5,25 with current have been arranged radially outside of the stator coils 5,25. Due to the structural principle described and the wiring concept, no electrical conductors are required to supply the stator coils 5.25 in the radial area between the axis of rotation of the axial flux machine 1 and the stator coils 5.25. In the radial area between the radial inner area and the radial outer area of the stator coils 5.25, no electrical connections between the stator coils 5.25 are required either. Since the stator coils 5.25 are wound in two layers, several turns running axially in front of one another in a first winding layer.
  • both coil ends 9.10 of a stator coil 5.25 are located axially on one side of the corresponding stator coil.
  • the path that the wires at the coil ends 9.10 have to travel to the busbars 8.18 is very short. This makes assembly easier saves material (e.g. copper) and requires little installation space.
  • FIG. 5 shows an arrangement of five pairs of coils with their busbars 8, 18 and phase connections 28.
  • all the electrical conductors already described for FIG. 4 and their connection points can be clearly seen.
  • the connection principle of the shown axial flow machine 1 can also be easily understood.
  • the electrical axial flow machine 1 is supplied with power via the three phase connections 28 .
  • the flow of current from a phase connection 28 is described below. Since it is a three-phase system, the current naturally does not only flow via one phase connection 28.
  • Figure 5 also clearly shows that the stator coils 5, 25 each have a first coil end 9 and a second coil end 10, with the first coil end 9 having a radially running section 11 and an axially running section 12, and the axially running section 12 one of the busbars 8,18 is electrically contacted and the second coil end 10 has a radially extending section 13 and an axially extending section 14, and the axially extending section 14 electrically contacts the star point rail.
  • the current flows from one of the three power connection bolts 30 into the busbar 8.18 connected to it and is then divided into the pairs of stator coils 5.25 connected to this busbar 8.18.
  • the current flows partially via one of the connecting tabs 24 of the busbar 8, 18 into a connecting wire (coil input) of one of the coils 25 shown on the right-hand side.
  • the coil inputs in the illustrated embodiment are the wires arranged eccentrically relative to the coil body.
  • the current then flows through the windings of the stator coil 25 to the coil output wire (center wire).
  • the coil output wire of the first stator coil 25 of the coil pair (coil on the right side) is connected to the coil input wire (center wire) of the left stator coil 5 .
  • the current thereby flows into the second stator coil 5 of the series-connected pair of coils and then also flows through its windings to the coil output wire (off-centre wire) which is connected to the neutral point bar.
  • the current flows back to the two other phase connections 28 of the axial flow machine 1 from the star point rail.
  • the current flows back from the star point rail through the stator coils 5, 25, which are connected to the other phase connections 28. Since the wiring principle of all stator coils 5.25 is comparable, the current flows through these stator coils 5.25, as just described, only in the opposite direction and thus passes through the elements mentioned in reverse order.
  • stator coils 5,25 of a pair of coils are connected with their wires leading out of the center of the coil body, and the busbars 8,18 are designed in such a way that the wires branching off the center of the coil bodies are always connected to the correct connection lug of the correct current-carrying busbar 8 ,18 meet, all stator coils can be 5.25 identical. This affects not only the outer shape of the stator coils 5.25, but also the sense of winding of the stator coils 5.25.
  • FIGS 4-5 have been used to describe how a power supply system consisting of a star point busbar and three busbars (current phase II, current phase V and current phase W) can supply power to all stator coils 5, 25 connected in series to form coil pairs .
  • a power supply system consisting of a star point busbar and three busbars (current phase II, current phase V and current phase W).
  • Each stator coil 5.25 is then connected directly to one of the busbars 8.18 and the other end of the stator coil 5.25 is then connected to the star point ring.
  • two star point rings can be used, so that a Star point ring connects all the stator coils 5.25 of one stator half or one stator body 15.16 and the other star point ring then connects all the stator coils 5.25 of the other stator half or the other stator body 15.16.
  • Another alternative power supply system can be formed from two star point bars and six bus bars. Then each stator half or each stator body 15, 16 has its own power supply system consisting of a star point rail and three busbars. The two power supply systems can use the same three phase connections, or each power supply system is equipped with three phase connections. Each stator coil is then always connected on one side to a busbar of its stator half or its stator body 15,16 and at the other end to the star point busbar of its stator half or its stator body 15,16.
  • the star point bar can always be replaced by a number of connecting elements which electrically connect the coil outputs of one coil connected to phase U, one to phase V and one to phase W.
  • the power supply systems can also be arranged radially outside of the rotor 17 with these alternative wiring variants.
  • more current-carrying rails can be arranged in the annular space radially outside of the rotor 17 by means of insulating bodies with an increased number of slots.
  • the delta connection can also be used as an alternative.
  • the star point bar is then omitted.
  • the coils are then connected at both ends to a different busbar (two different current phases).
  • a separate annular space can be arranged radially outside of the rotor 17 or radially outside of the stator coils 5,25 of the respective stator half or of the respective stator body 15,16 per stator half or per stator body 15,16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine (1 ), insbesondere für einen Antriebsstrang (2) eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs (3), umfassend einen Stator (4) mit einer Mehrzahl von über den Umfang des Stators (4) verteilten Statorspulen (5) und einer Leistungselektronik (6) zur Bestromung der Statorspulen (5) sowie einem Hochvolt-Terminal (7) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Statorspulen (5) und der Leistungselektronik (6), wobei in radialer Richtung oberhalb der Statorspulen (5) Stromschienen (8) angeordnet sind, die den Stator (4) und/oder einen relativ zum Stator (4) drehbaren Rotor (17) ringförmig umschließen und die Statorspulen (5) elektrisch leitend mit dem Hochvolt-Terminal (7) verbinden.

Description

Elektrische Axialflussmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator mit einer Mehrzahl von über den Umfang des Stators verteilten Statorspulen und einer Leistungselektronik zur Bestromung der Statorspulen sowie einem Hochvolt-Terminal zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Statorspulen und der Leistungselektronik.
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, der wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. 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 Stirnraddifferential 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 betreibarer Antriebsstrang bezeichnet.
Zunehmend werden in derartigen E-Achsen auch Axialflussmaschinen eingesetzt. Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist beispielsweise vielfach bei den eingangs beschriebenen elektrischen Antriebsystemen für Elektrofahrzeuge der Fall. Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweisen hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.
Durch seine scheibenförmigen Hauptbaugruppen eignet sich eine Axialflussmaschine besonders gut für Anwendungen, bei denen es auf eine sehr kurze Baulänge des Elektromotors ankommt und bei denen ein relativ großer Motordurchmesser noch akzeptabel ist. Bei der Entwicklung von entsprechenden Axialflussmaschinen ist es daher regemäßig sinnvoll, eine möglichst kurze Bauweise anzustreben, wobei der Außendurchmesser der Axialflussmaschine jedoch nicht größer werden sollte als unbedingt nötig. Bei Axialflussmaschinen für Kraftfahrzeuge bestehen zusätzlich auch immer die Anforderungen nach geringem Gewicht, hoher Leistungsdichte und geringen Kosten. Dies betrifft auch die Stromversorgung einer Axialflussmaschine.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine axial wie radial besonders kom paktbauende Axialflussmaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Axialflussmaschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator mit einer Mehrzahl von über den Umfang des Stators verteilten Statorspulen und einer Leistungselektronik zur Bestromung der Statorspulen sowie einem Hochvolt-Terminal zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Statorspulen und der Leistungselektronik, wobei in radialer Richtung oberhalb der Statorspulen Stromschienen angeordnet sind, die den Stator und/oder einen relativ zum Stator drehbaren Rotor ringförmig umschließen und die Statorspulen elektrisch leitend mit dem Hochvolt-Terminal verbinden.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine axial besonders kurze Bauform der Axialflussmaschine realisiert werden kann, indem die Stromschiene, die die Statorspulen der Elektromagnete mit Strom versorgen, radial außerhalb des Rotors angeordnet wird. Alle elektrischen Verbindungen zwischen den Statorspulen können radial außerhalb der Statorspulen bzw. radial außerhalb des Rotors erfolgen. Elektrische Verbindungen zwischen den Spulen sind weder im radialen Bereich der Statorspulen noch im radialen Bereich innerhalb der Statorspulen erforderlich.
Die ringförmigen Stromschienen können umlaufend geschlossen sein oder an einer Stelle des Umfangs offen sein. Die Stromschienen können auch so ausgeführt werden, dass Sie nur einen Teil des Umfangs umschließen.
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 magnetische Fluss in einer elektrischen Axialflussmaschine (AFM), wie beispielsweise eine als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial zu einer Rotationsrichtung des Rotors der Axialflussmaschine gerichtet.
Es kann, je nach Anwendungsgebiet, vorteilhaft sein, eine Axialflussmaschine in I- Anordnung oder H-Anordnung auszubilden. Bei einer I-Anordnung ist der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet. Bei einer H- Anordnung sind zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet. Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine ist bevorzugt in I- Anordnung konfiguriert.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator- Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, mehrere Rotor-Stator- Konfigurationen des I-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.
Der Stator der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine weist bevorzugt einen Statorkörper mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen auf. Der Statorkörper kann in Umfangsrichtung gesehen einteilig oder segmentiert ausgebildet sein. Der Statorkörper kann aus einem Statorblechpaket mit mehreren laminierten Elektroblechen gebildet sein. Alternativ kann der Statorkörper auch aus einem verpressten weichmagnetischen Material, wie dem sogenannten SMC-Material (Soft Magnetic Compound) gebildet sein.
Der Rotor einer elektrischen Axialflussmaschine kann zumindest in Teilen als geblechter Rotor ausgebildet sein. Ein geblechter Rotor ist in radialer Richtung geschichtet ausgebildet. Der Rotor einer Axialflussmaschine kann alternativ auch einen Rotorträger aufweisen, der entsprechend mit Magnetblechen und/oder SMC- Material und mit als Permanentmagneten ausgebildeten Magnetelementen bestückt ausgebildet ist.
Als Rotorwelle wird eine drehbar gelagerte Welle einer elektrischen Maschine bezeichnet, mit der der Rotor bzw. Rotorkörper drehfest gekoppelt ist.
Die elektrische Axialflussmaschine kann ferner eine Steuereinrichtung aufweisen. Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Axialflussmaschine.
Eine Steuereinrichtung weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinrichtung ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen.
Innerhalb der Steuereinrichtung können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinrichtung eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.
Die Steuereinrichtung kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinrichtung übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinrichtung einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.
Eine Steuereinrichtung kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
Ganz besonders bevorzugt besitzt die Steuereinrichtung wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung zur Ausführung des Computerprogrammcodes zu veranlassen. Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt eine Leistungselektronik zur Bestromung des Stators oder Rotors umfassen. Eine Leistungselektronik ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält die Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B. Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 1.000 W, bevorzugt mindestens 10.000 W besonders bevorzugt mindestens 100.000 W zu steuern oder regeln.
Die elektrische Axialflussmaschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. 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 50 kW, vorzugsweise größer als 100 kW und insbesondere größer als 250 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Betriebsdrehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt. Höchst bevorzugt weist die elektrische Maschine Betriebsdrehzahlen zwischen 5.000-15.000 U/min, äußerst bevorzugt zwischen 7.500-13.000 U/min auf.
Die elektrische Axialflussmaschine kann bevorzugt auch in einem elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang verbaut sein. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Axialflussmaschine und ein Getriebe, wobei die elektrische Axialflussmaschine und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Axialflussmaschine und das Getriebe in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Axialflussmaschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung des Getriebes gegenüber der elektrischen Axialflussmaschine bewirkbar ist. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
Die elektrische Axialflussmaschine kann besonders bevorzugt auch für eine Verwendung in einem Hybridmodul vorgesehen sein. In einem Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können eine Axialflussmaschine und ein Kupplungssystem, insbesondere mit einer Trennkupplung zum Einkuppeln der Axialflussmaschine in und/oder Auskuppeln der Axialflussmaschine aus dem Antriebsstrang, in einem Hybridmodul vorhanden sein.
Ein Hochvolt-Terminal im Sinne dieser Anmeldung ist die insbesondere lösbare Verbindungsstelle zwischen den Stromschienen und den elektrischen Leitern (z.B. Kabeln), die die elektrische Maschine mit der Leistungselektronik verbinden (und besteht aus den diese Verbindungsstelle ausbildenden Bauteilen. Diese können beispielsweise Stromschienen mit Anschlussstellen für die elektrische Verbindung zur Leistungselektronik sowie bevorzugt auch Anschlussstellen für die Stromschienen der elektrischen Maschine umfassen. Die Anschlussstellen können beispielsweise als Schraub- und/oder Steckkontakte ausgeführt sein. Insbesondere ist das Hochvolt-Terminal ausgebildet zum Anschluss eines mehrphasigen Stromanschlusses.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Hochvolt-Terminal radial oberhalb der Stromschienen positioniert ist, was ebenfalls zu einer kompakten axialen Bauform sowie einer guten Montierbarkeit der Stromanschlüsse beiträgt.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Statorspulen jeweils ein erstes Spulenende und ein zweites Spulenenden aufweisen, wobei das erste Spulenende einen radial verlaufenden Abschnitt und einen axial verlaufenden Abschnitt aufweist, und der axial verlaufende Abschnitt eine der Stromschienen elektrisch kontaktiert und/oder das zweite Spulenende einen radial verlaufenden Abschnitt und einen axial verlaufenden Abschnitt aufweist, und der axial verlaufende Abschnitt eine der Stromschienen oder eine Sternpunktschiene oder eine andere Spule elektrisch kontaktiert. Es kann hierdurch ebenfalls eine axial besonders kompakt bauende Ausführung der Axialflussmaschine unterstützt werden. Ferner kann hierdurch auch dazu beigetragen werden, eine Gleichteiligkeit der Statorspulen auszubilden, mit entsprechenden Kostenvorteilen.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Axialflussmaschine in I-Ausführung konfiguriert ist, bei der der Stator einen ersten scheibenförmigen Statorkörper und einen axial von diesem beabstandeten zweiten scheibenförmigen Statorkörper aufweist und axial zwischen dem ersten Statorkörper und dem zweiten Statorkörper ein Rotor angeordnet ist, wobei der erste Statorkörper eine Mehrzahl von über den Umfang des ersten Statorkörpers verteilten ersten Statorspulen und der zweite Statorkörper eine Mehrzahl von über den Umfang des zweiten Statorkörpers verteilten zweiten Statorspulen aufweisen, und in radialer Richtung oberhalb der ersten Statorspulen erste Stromschienen angeordnet sind, die den ersten Statorkörper ringförmig umschließen und die ersten Statorspulen und/oder die zweiten Statorspulen elektrisch leitend mit dem Hochvolt-Terminal verbinden und in radialer Richtung oberhalb der zweiten Statorspulen zweite Stromschienen angeordnet sind, die den zweiten Statorkörper ringförmig umschließen und die ersten Statorspulen und/oder die zweiten Statorspulen elektrisch leitend mit dem Hochvolt-Terminal verbinden.
Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass bei einer Axialflussmaschine in I-Anordnung die Stromschienen und der Verschaltungsbereich für beide Statorkörper der radial außerhalb des Rotors angeordnet werden kann. Nahezu alle stromführenden Bauteile des Verschaltungsbereiches können so radial außerhalb der Statorspulen der Elektromagnete angeordnet werden und befinden sich ferner axial innerhalb des axialen Bereiches, der die Bereite des Rotors plus der halben Breite der beiden seitlich angrenzenden Statorkörpern entspricht.
Es kann somit eine Axialflussmaschine in I-Anordnung bereitgestellt werden, deren Stromschienen und deren Verschaltungsbereiche für beide Statorkörper axial innerhalb des axialen Bereichs zwischen der dem Rotor abgewandten Seite des Statoreisens (Joch) des einen Statorkörpers und der dem Rotor abgewandten Seite des Statoreisens (Joch) des anderen Statorkörpers liegt. Durch die radiale Anordnung von Stromschienen und Spulenverschaltung bzw. -anschluss, kann die axiale Länge der Axialflussmaschine in I-Konfiguration sehr kurz ausgeführt werden.
Ferner kann bevorzugt ein Anschluss der beiden gegenüberliegenden in Reihe geschalteten Statorspulen an einem gemeinsamen Stromschienensystem radial außerhalb des Rotors erfolgen. Das Stromschienensystem kann mittig zum Rotor ausgerichtet werden, damit die Anschlussdrähte der Statorspulen in den gegenüberliegenden Statorkörpern gleich lang ausgeführt werden können und somit baugleiche Statorspulen für beiden Statorkörper verwendet werden können. Hierdurch können auch sehr kurze Wicklungsenden der Statorspulen sowie eine Reihenschaltung der gegenüberliegenden Statorspulen auch sehr einfache Weise realisierbar werden. Ferner sind die Verschaltungs- und Kontaktierungspositionen gut zugänglich, was die Montage spürbar erleichtert. Alternativ könnten auch die jeweils gegenüberliegenden (also auf den gegenüberliegenden Seiten des Rotors) Statorspulen an einem gemeinsamen Stromschienensystem angeschlossen sein ohne das die Statorspulen in Reihe geschaltet werden müssen.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Statorspulen im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, was zu einer deutlichen Kostenoptimierung der Axialflussmaschine beitragen kann.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die ersten Stromschienen und die zweiten Stromschienen an dem gemeinsamen Hochvolt-Terminal angebunden sind.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Stromschienen zumindest abschnittsweise in einem ringförmigen oder ringsegmentförmigen Isolierkörper aufgenommen sind, was zum einen die definierte Festlegung der Stromschienen zueinander vereinfacht und gleichzeitig eine elektrische Isolierung der Stromschienen gegeneinander bereitstellen kann.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Isolationskörper im Querschnitt eine E-artige Kontur mit zwei radial voneinander beabstandeten, einseitig offenen Nuten, aufweist, in welchen die Stromschienen aufgenommen sind, was sich als fertigungs- und montagetechnisch besonders günstig erwiesen hat.
Ferner ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, dass eine axiale und radiale elastische Bewegungsentkopplung zwischen dem Stator und den Stromanschlüssen erfolgt. Dies kann beispielsweise durch elastisch verformbare Stromschienen und/oder elastisch verformbare Verbindungslaschen zwischen den Stromschienen und den Stromanschlussbolzen realisiert werden Schließlich kann es auch bevorzugt sein, dass ein auf den entgegengesetzten Rotorseiten angeordnetes Spulenpaar elektrisch in Reihe geschaltet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 eine Axialflussmaschine in einer schematischen Axialschnittansicht,
Figur 2 eine Detailansicht der Axialflussmaschine aus Figur 1 in einer Axialschnittdarstellung
Figur 3 eine Detailansicht der Axialflussmaschine aus Figur 1 in einer Axialschnittdarstellung
Figur 4 eine freigestellte Darstellung der Spulenverschaltung einer Axialflussmaschine in einer perspektivischen Ansicht,
Figur 5 eine Detaildarstellung der Spulenverschaltung der Axialflussmaschine aus Figur 4 in einer perspektivischen Ansicht,
Figur 6 ein hybrid und ein vollelektrisch betreibbares Kraftfahrzeug in einer Blockschaltdarstellung.
Die Figur 1 zeigt eine elektrische Axialflussmaschine 1 , insbesondere für einen Antriebsstrang 2 eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs 3, wie es exemplarisch in der Figur 6 skizziert ist.
Die gezeigte Axialflussmaschine 1 umfasst einen Stator 4 mit einer Mehrzahl von über den Umfang des Stators 4 verteilten Statorspulen 5 und einer Leistungselektronik 6 zur Bestromung der Statorspulen 5 sowie einem Hochvolt- Terminal 7 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Statorspulen 5 und der Leistungselektronik 6, was gut aus der Zusammenschau der Figuren 1 und 4 zu erkennen ist.
In radialer Richtung oberhalb der Statorspulen 5 sind Stromschienen 8 angeordnet, die den Stator 4 ringförmig umschließen und die Statorspulen 5 elektrisch leitend mit dem Hochvolt-Terminal 7 verbinden. Wie in der Figur 1 dargestellt, ist die Axialflussmaschine 1 in I-Ausführung konfiguriert, bei der der Stator 4 einen ersten scheibenförmigen Statorkörper 15 und einen axial von diesem beabstandeten zweiten scheibenförmigen Statorkörper 16 aufweist und axial zwischen dem ersten Statorkörper 15 und dem zweiten Statorkörper 16 ein Rotor 17 angeordnet ist.
Der erste Statorkörper 15 weist eine Mehrzahl von über den Umfang des ersten Statorkörpers 15 verteilten ersten Statorspulen 5 und der zweite Statorkörper 16 eine Mehrzahl von über den Umfang des zweiten Statorkörpers 16 verteilten zweiten Statorspulen 25 auf. In radialer Richtung oberhalb der ersten Statorspulen 5 sind erste Stromschienen 8 angeordnet, die den ersten Statorkörper 15 ringförmig umschließen und die ersten Statorspulen 5 und/oder die zweiten Statorspulen 25 elektrisch leitend mit dem Hochvolt-Terminal 7 verbinden. In radialer Richtung oberhalb der zweiten Statorspulen 25 sind zweite Stromschienen 18 angeordnet, die analog den zweiten Statorkörper 15 ringförmig umschließen und die ersten Statorspulen 5 und/oder die zweiten Statorspulen 25 elektrisch leitend mit dem Hochvolt-Terminal 7 verbinden.
Der Stator 4 besteht also aus zwei radial außen miteinander verbundenen Statorkörpern 15,16, die radial innen über je eine Lagerstelle mit der Rotorwelle 22 drehentkoppelt verbunden sind. Der Rotor17 ist an der Rotorwelle 22 befestigt und besteht aus einem scheibenförmigen Abschnitt, der sich zwischen den beiden Statorkörpern 15,16 radial nach außen erstreckt. Zwischen den beiden Statorkörpern 15,16 und dem Rotor 17 befinden sich die Luftspalte, durch die der axiale magnetischen Fluss der Axialflussmaschine 1 verläuft. Die Magnetfeder der Axialflussmaschine 1 können ein Drehmoment hervorrufen, dass auf den Rotor 17 wirkt und von diesem in die Rotorwelle 22 eingeleitet wird. Die Rotorwelle 22 ragt in axialer Richtung aus der Axialflussmaschine 1 heraus und bildet so das Übertragungselement, durch das das Drehmoment der elektrischen Axialflussmaschine 1 auf ein benachbartes Aggregat übertragen werden kann. Dieses benachbarte Aggregat kann beispielsweise ein Getriebe, ein Differenzial, eine Welle oder ein Rad des Kraftfahrzeugs 3 sein.
Die dem Getriebe zugewandte Statorhälfte ist radial innen mit dem Gehäuse 23 verbunden, das die elektrische Axialflussmaschine 1 umgibt. Dazu weist das Gehäuse 23 eine Seitenwand oder Zwischenwand auf, die mit dem zweiten Statorkörper 16 verschraubt ist. Sinnvollerweise werden mehrere Schrauben auf dem Umfang verteilt angeordnet. Durch Lager zwischen den Statorkörpern 15,16 und der Rotorwelle 22 wird der Rotor 17 drehentkoppelt mit dem Stator 4 verbunden.
Bei der in Figur 1 im Halbschnitt gezeigten Axialflussmaschine 1 ist der Rotor 17 mit Permanentmagneten und der Stator 4 mit Elektromagneten ausgestattet. In beiden Statorkörper 15,16 sind mehrere auf dem Umfang verteilte Elektromagnete (Pole) angeordnet, die jeweils aus einer Spule 5,25 bestehen, die um einen Spulenkern (einen Zahn des Statoreisens) herumverläuft. Es ist immer jeweils ein Elektromagnet des einen Statorkörpers 15,16 und ein Elektromagnet des anderen Statorkörpers 15,16 auf den jeweils gegenüberliegenden Seiten des Rotors 17 angeordnet. Die Spulen 5,25 dieser beiden Elektromagnete bilden ein Spulenpaar, dessen Spulen in axialer Richtung genau hintereinander (auf den gegenüberliegenden Seiten des Rotors 17) angeordnet sind. Die Schnittebene der Figur 1 verläuft durch so eine Spulenpaar. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese beiden Spulen 5,25 elektrisch in Reihe geschaltet, so dass der Ausgang der einen Spule 5,25 mit dem Eingang der anderen Spule 5,25 verbunden ist.
Die Figur 2 zeigt in der Schnittebene wie der Draht der einen Spule 5 von dem gewickelten Spulenkörper axial wegführt, dann durch eine Öffnung zwischen den die Trägerstruktur des Stators 4 bildenden Bauteilen hindurch radial nach außen verläuft und dann axial zurück in Richtung des Rotors 17 verläuft. Die gegenüberliegende Spule 25 des Spulenpaars 5,25 weist ein vergleichbares Spulenende 10 auf, das dem anderen Spulenende 9 entgegenkommt. Beide Spulenenden 9,10 treffen sich radial außerhalb des Rotors 17 und können dort miteinander elektrisch verbunden werden. Bei dem abgebildeten Ausführungsbeispiel überlappen sich die Spulenenden 9,10. Die überlappenden Teile der Spulenenden 9,10 sind von der Isolierschicht, die den Spulendraht umgibt, befreit und sind miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt, verlötet, oder verpresst.
Die Stromversorgung aller auf dem Umfang der Axialflussmaschine 1 angeordneten Spulen 5,25 wird durch ein radial außerhalb des Rotors 17 angeordnetes System von Stromschienen 8,18 sichergestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel befinden sich in dem von dem Stator 4 und dem Motorgehäuse 23 gebildeten um laufenden Raum, radial außerhalb des Rotors 17, in dem sich auch die gerade beschriebene Verbindungstelle zwischen den jeweils zu einem Spulenpaar gehörenden Spulen 5,25 befinden, drei Stromschien (Stromphase-U, Stromphase-V und Stromphase- W) und eine Sternpunktschiene. Diese vier elektrischen Leiter (Schienen) sind als gekrümmte ganz oder fast ganz um die Axialflussmaschine 1 herumlaufende Blechbauteile (z.B. Kupferblech) ausgeführt. Jeweils zwei dieser Stromschienen 8,18 sind in einem einseitig offen Isolierkörper 19 angeordnet. Dieser Isolierkörper 19 verläuft ringförmig um die elektrische Axialflussmaschine 1 herum und hat einen rechteckigen Querschnitt mit zwei tiefen axial verlaufenden Nuten 20,21 , so dass der Querschnitt des Isolierkörpers 19 an ein „E“ erinnert.
In dem Ringraum zwischen dem Stator 4 und dem Motorgehäuse 23 sind bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Isolierkörper 19 an den gegenüberliegenden axialen Seiten angeordnet. Die Nuten 20,21 der Isolierkörper 19 zeigen zur Mitte und nehmen jeweils eine der stromführenden Stromschienen 8,18 oder eine Sternpunktschiene auf. Ausgehend von dem jeweils um laufenden Grundkörper der Stromschienen 8,18 oder einer Sternpunktschiene, die komplett in den Nuten 20,21 der Isolierkörper 19 angeordnet sind, ragen axial mehrere auf dem Umfang verteilte Verbindungslaschen 24 der Stromschienen 8,18 oder Sternpunktschiene aus den Nuten 20,21 der Isolierkörper 19 heraus. Diese Verbindungslaschen 24 bilden die elektrischen Anschlussstellen der Stromschienen 8,18, und der Sternpunktschiene mit denen die Stromschien oder Sternpunktschienen mit den Spulen 5,25 verbunden sind, wie es auch gut der Figur 3 zu entnehmen ist. Die drei Stromschien für die Stromphasen (Stromphase-U, Stromphase-V und Stromphase-W) weisen auch jeweils eine Verbindungslasche 24 auf, die mit dem Phasenanschluss der Axialflussmaschine 1 (Stromanschlussbolzen) verbunden ist.
Alternativ kann auch jede stromführende Schiene (also Stromschienen und Sternpunktschiene) in einem eigenen Isolierkörper 19 angeordnet werden, oder es können in einem Isolierkörper 19 auch mehr als zwei stromführende Schienen aufgenommen werden. Dabei kann der Isolierkörper 19 für jede stromführende Schiene eine eigene umlaufende Nut 20,21 aufweisen (beispielsweise mehrere radial gestaffelte Nuten 20,21 übereinander und/oder Nuten 20,21 gehen von den beiden axial gegenüberliegenden Seiten in den Querschnitt des Isolierkörpers 19 hinein). Wenn die stromführenden Leiter nicht ganz um die elektrische Axialflussmaschine 1 herumlaufen, können in einer umlaufenden Nut 20,21 eines Isolierkörpers 19 auch mehrere Schienen auf unterschiedlichen Bereichen des Umfangs angeordnet werden.
Dies ist beispielsweise besonders sinnvoll, wenn nicht nur eine Stromschiene pro Phasenanschluss der Axialflussmaschine 1 verwendet wird, um alle mit diesem Phasenanschluss zu verbindende Spulen 5,25 elektrisch zu versorgen, sondern mehrere Stromschienen mit dem Phasenanschluss verbunden sind und jede dieser Stromschien nur einen Teil der Spulen 5,25 elektrisch mit dem Phasenanschluss verbindet, die mit diesem Phasenanschluss verbunden werden müssen. So ist es beispielweise möglich von einem Phasenanschluss jeweils eine kurze (z.B. eine weniger als 180° der Axialflussmaschine 1 abdeckende) Stromschien in die eine Umfangsrichtung und eine zweite vergleichbare Stromschiene in die andere Umfangsrichtung um die Axialflussmaschine 1 herum anzuordnen, von denen jede Stromschiene nur einen Teil (beispielsweise die Hälfte) der mit dem Phasenanschluss zu verbindenden Spulen 5,25 elektrische anschließt.
Statt einer umlaufenden (einer geschlossen oder an einer Stelle des Umfangs offenen) Sternpunktschiene, an der alle Spulenpaare (oder alle Spulen 5,25 von einem der Statorkörper 15,16) angeschlossen sind, können auch mehrere auf dem Umfang verteilte Sternpunktschienen eingesetzt werden, an denen jeweils eine Spulengruppe oder eine ganzzahlige Anzahl Spulengruppen, bestehend jeweils aus einem mit der Stromphase-U verbundenen Spulenpaar, einem mit der Stromphase- V verbundenen Spulenpaar und einem mit der Stromphase-W verbundenen Spulenpaar, angeschlossen sind. Diese Sternpunktscheinen, die jeweils nicht mit allen Spulenpaaren verbunden sind, können auch gut in einer umlaufenden Nut 20,21 eines Isolierkörpers 19 auf dem Umfang hintereinander angeordnet werden.
Da die Isolierkörper 19 die Stromschienen 8,18 zum Rand des ringförmigen Raumes hin isolieren, könne die Stromschienen 8,18 geometrisch recht nahe an den aus elektrisch leitfähigem Material hergestellten und die axialen Seitenwände des Ringraumes bildenden Statorbauteilen angeordnet werden, ohne die nötigen Luft- und Kriechstrecken zu unterschreiten. Nach innen hin, wo die beiden gegenüberliegend angeordneten Isolierkörper 19 offen sind, ist genug Raum zwischen den Leitern vorhanden, um die nötigen Luft- und Kriechstrecken einzuhalten. Radial nach innen hin liegt in dem Ringraum eine weitere Isoliereinlage 26 (z.B. eine Kunststofffolie oder ein Isolierpapier). Diese Isoliereinlage 26 ist in der Figur 2 zwischen der Verbindungsstelle der beiden Spulen 5,25 des Spulenpaares, und dem Statormantel 27 erkennbar.
Der Statormantel 27 ist ein rohförmiges Bauteil, das die beiden Statorkörper 15,16 mechanisch miteinander verbindet und den Rotorraum von dem Ringraum, in dem die Stromversorgung untergebracht ist, abgrenzt. Durch die Isoliereinlage 26 werden die nötigen Luft- und Kriechstrecken von den stromführenden Schienen und den Verbindungsstellen der Spulen 5,25 zu den angrenzenden Statorkomponenten nach radial innen hin realisiert. Nach radial außen hin zum Motorgehäuse 23 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel genügend Abstand, um die notwendigen Luft- und Kriechstrecken einzuhalten. Alternativ kann eine weitere Isoliereinlage verwendet werden, um den Ringraum hin zum Motorgehäuse 23 in radialer Richtung elektrisch zu isolieren.
Figur 3 zeigt ein weiteres Detail der bereits in den Figuren 1-2 gezeigten Axialflussmaschine 1 . Der Schnittverlauf der Figur 3 ist gegenüber dem von Figur 1 und Figur 2 etwas auf dem Umfang versetzt, so dass die Schnittebene durch eine Verbindungsstelle der Sternpunktschiene mit einer Spule 5,25 hindurchgeht. Die Verbindungstellen zwischen jeweils einer der drei Stromschien (Stromphase-U, Stromphase-V und Stromphase-W) und einer Spule 5,25 sind technisch in analoger Weise gelöst. Die Verbindungstellen des Stromversorgungsystems sind auch auf den nachfolgenden perspektivischen Abbildungen der Figuren 4-5 erkennbar. An den Verbindungsstellen zwischen den Spulen 5,25 und den Stromschienen 8,18, die bei diesem Ausführungsbeispiel überlappend ausgeführt sind, sind die Drahtenden der Spulen 5,25 von der Isolierschicht, die den Spulendraht umgibt, befreit und mit den ebenfalls blanken Fortsätzen der stromführenden Schienen elektrisch verbunden (beispielsweise verschweißt, verlötet, oder verpresst). Die elektrischen Verbindungsstellen der Axialflussmaschine 1 können statt überlappend auch auf Stoß ausgeführt werden und dann beispielsweise verschweißt oder verlötet werden.
Die Figuren 1-3 zeigen, dass die Verschaltung und Stromversorgung der Spulen 5,25 über das radial über dem Rotor 17 angeordnete Stromversorgungsystem erfolgt, welches im Wesentlichen aus den Stromschienen 8,18, den Phasenanschlüssen und den elektrischen Verbindungselementen bzw. Verbindungen zwischen diesen Komponenten und zwischen diesen Komponenten und den Spulen 5,25, besteht. Es sind keine elektrischen Verbindungselemente axial hinter dem Statoreisen erforderlich. Mit anderen Worten, alle elektrischen Leiter könne durch das hier beschriebene Bauprinzip in den mittleren axialen Bereich der Axialflussmaschine 1 angeordnet werden. Dieser Bereich erstreckt sich von der dem Rotor 17 abgewandten Seite des Statoreisens [Joch] des einen Statorkörpers 15 bis zum der dem Rotor 17 abgewandten Seite des Statoreisens [Joch] des anderen Statorkörpers 16. Indem kein Bauraum für elektrische Leiter axial hinter dem Statoreisen oder gar hinter den Statorseitenwänden vorgehalten werden muss, kann die Axialflussmaschine 1 axial sehr kurz aufgebaut werden. Indem die Stromschienen 8,18 in einen Ringraum integriert werden, der vom Statormantel 27 gebildet wird und radial außen von dem Motorgehäuse23 verschlossen wird, sind die Stromschienen 8,18 sehr platzsparend in die mechanische Struktur des Stators 4 integriert. Alternativ kann der Ringraum, in dem die stromführenden Schienen untergebracht sind, auch radial außen durch eine zusätzliches Motorelement abgedeckt werden, so dass die Stromscheinen komplett von Motorteilen umschlossen sich und kein zusätzliches Motorgehäuse erforderlich ist, um die Stromführenden Schienen abzudecken. Der Statormantel 27 ist ein ringförmiges oder rohrförmiges Bauteil (oder eine ringförmige oder rohrförmige Baugruppe), das den Rotor 17 vollständig umfasst und an seinen beiden axialen Endbereichen jeweils einen Flansch aufweist, der jeweils an dem Ringraum vorbei nach radial außen reicht und an dem jeweils eine Statorseitenwand befestigt ist. In den Flanschen des Statormantels 27 sind mehrere auf dem Umfang verteilte Öffnungen vorgesehen, durch die die Anschlussdrähte der Spulen 5,25 hindurchragen. Es ist besonders sinnvoll jeweils beide Spulenenden 9,10 einer Spule 5,25 durch dieselbe Öffnung im Flasch des Statormantels 27 zu ziehen, da dies die Wirbelstromverluste der Axialflussmaschine 1 verringert. Die mechanische Verbindung zwischen dem Statormantel 27 und der jeweiligen Statorseitenwand erfordert einen größeren radialen Bauraum als der rohrförmige axiale Mittelteil des Statormantels 27.
Indem das Stromversorgungsystem den radialen Bauraum über dem rohrförmigen axialen Mittelteil des Statormantels 27 nutzt, ist die Axialflussmaschine 1 in weiten Teilen des Umfangs auch mit dem radial außen angeordneten Stromversorgungsystem radial nicht größer, als er ohnehin sein müsste, um die mechanische Struktur des Stators 4 (z.B. die Befestigungselemente) unterbringen zu können. An der Stelle, an der die Phasenanschlüsse radial über dem Rotor 17 angeordnet sind, muss das Motorgehäuse 23 weiter nach radial außen gezogen werden, um Bauraum für die Phasenanschlüsse zu schaffen und falls nötig die Phasenanschlüsse mechanisch zu fixieren. Dieser zusätzliche radiale Bauraum ist bei der hier vorgestellten Motorbauform jedoch nur an einer Stelle des Motorumfangs erforderlich.
Der Ringraum, in dem das Stromversorgungsystem und dessen Verbindungsstellen untergebracht ist, wird radial außen erst durch das Montage der Axialflussmaschine 1 in das Motorgehäuse 23 verschlossen. Dadurch sind alle Verbindungstellen des Stromversorgungsystems während des Montagevorgangs der Axialflussmaschine 1 sehr gut zugänglich. Dies erleichtert die Montage und ermöglicht großserientaugliche Schweiß- oder Lötprozesse. Der Ringraum in dem das Stromversorgungsystem untergebracht ist, ist durch Dichtungen (z.B. O-Ringe) zwischen dem Stator 4 und dem Motorgehäuse 23 abgedichtet. Dies verhindert das Eindringen von Schmutz oder Feuchtigkeit und bietet auch die Möglichkeit den Ringraum durch ein absichtlich eingeleitetes Fluid zu fluten, beispielsweise ist so eine Kühlung der elektrischen Leiter realisierbar.
Statt die Phasenanschlüsse 28 des Hochvolt-Terminals 7, wie in den Figuren gezeigt, an einer Stelle des Motorumfangs radial außerhalb des ansonsten zylinderförmigen Motorbauraums anzuordnen, können alternativ die Phasenanschlüsse 28 auch an einer Stelle des Umfangs axial (oder axial und radial) außerhalb des ansonsten zylinderförmigen Motorbauraums angeordnet werden. Axial versetzte Phasenanschlüsse 28 können dann beispielsweise auf demselben Radius wie die Stromschienen 8,18 an der Stirnseite der Axialflussmaschine 1 positioniert angeordnet werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, abweichend von der Figur 4 oder Figur 5 können alternativ die Phasenanschlüsse 28 auch axial und/oder radial außerhalb der Statorgeometrie liegend, aus der Axialflussmaschine 1 geführt werden. Diese Ausführungsform kann entsprechend der Bauraumintegration der Axialflussmaschine 1 vorteilhaft sein. Die drei Phasenanschlüsse 28 können statt in unmittelbarer Nähe zueinander auch auf dem Umgang der Axialflussmaschine 1 verteilt positioniert werden.
Die Figur 4 zeigt die Spulen 5,25 einer Axialflussmaschine 1 zusammen mit einigen wenigen Nachbarbauteilen in einer entsprechend freigestellten perspektivischen Ansicht. Damit man die Stromschienen 8,18 zumindest partiell erkennen kann, wurden die beiden Isolierkörper 19, die eigentlich jede stromführende Schiene auf ihrer kompletten Umfangslänge umschließen, im vorderen Teil der Abbildungen auf einem Teil des Umfangs entfernt. Bei dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel ist zu erkennen, dass die Breite der Stromschienen 8,18 stufenweise verringert wird, je weiter die Bereiche der Stromschienen 8,18 von dem Phasenanschluss 28 der elektrischen Axialflussmaschine 1 entfernt sind. Da sich der vom Phasenanschluss 28 in die Stromschiene 8,18 eingeleitete elektrische Strom auf die mit der Stromschiene 8,18 verbundenen Spulen 5,25 aufteilt, wird die vom Grundkörper der Stromschiene 8,18 zu übertagende Stromstärke immer geringer, je mehr Spulen 5,25 bereits mit Strom versorgt wurden. In der Figur 4 ist erkennbar, dass, wenn man gedanklich dem in die Stromschiene 8,18 eingeleiteten Strom vom Phasenanschluss 28 hin zu der letzten am Ende der Stromschiene 8,18 angeschlossenen Spule 5,25 folgt, nach jeder Verbindungslasche 24 der Stromschiene 8,18, über die eine weitere Spule 5,25 angeschlossen ist, die Breite der Stromschiene 8,18 schmaler wird. Da nach jeder Verbindungslasche 24 weniger Strom durch die Stromschiene 8,18 übertragen werden muss, wird auch nur noch ein geringerer Leiterquerschnitt benötigt. Den Querschnitt der Stromschiene 8,18 dann zu reduzieren, spart Material und reduziert das Gewicht und die Kosten.
In den Figuren 4-5 sind die Phasenanschlüsse 28 der Axialflussmaschine 1 an dem Hochvolt-Terminal 7 erkennbar. Das Hochvolt-Terminal 7 ist radial oberhalb der Stromschienen 8, 18 positioniert. Jede der drei Stromschien 8, 18 ist durch eine Verbindungslasche 29 mit einem Stromanschlussbolzen 30 verbunden. Die drei Stromanschlussbolzen 30 sind über einen gemeinsamen Sockel 31 mit den restlichen Motorkomponenten mechanisch verbunden. Der Sockel 31 fixiert die Stromanschlussbolzen 30 mechanisch und isoliert die Stromanschlussbolzen 30 elektrisch. Durch den Sockel 31 werden auch die erforderlichen Luft- und Kriechstrecken sowohl zwischen den Stromanschlussbolzen 30 als auch zwischen den Stromanschlussbolzen 30 und den elektrisch leitfähigen Stator- oder Gehäusebauteilen sichergestellt. Die Stromanschlussbolzen 30 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel abgeflacht Bereiche mit einer Gewindebohrung auf, an denen ein elektrische Leiter festgeschraubt werden kann.
Was der Figur 4 auch entnommen werden kann, ist, dass die ersten Stromschienen 8 und die zweiten Stromschienen 18 an dem gemeinsamen Hochvolt-Terminal 7 angebunden sind. Dabei sind die Stromschienen 8,18 zumindest abschnittsweise in einem ringförmigen oder ringsegmentförmigen Isolierkörper 19 aufgenommen, wobei der Isolierkörper 19 im Querschnitt eine E-artige Kontur mit zwei radial voneinander beabstandeten, einseitig offenen Nuten 20,21 aufweist, in welchen die Stromschienen 8,18 aufgenommen sind.
Die Verbindungslaschen 29, die die Stromschiene 8,18 mit den Anschlussbolzen 30 verbinden, sind bei diesem Ausführungsbeispiel absichtlich dünn und mehrfach abgewinkelt ausgeführt. Dadurch können relative Positionsabweichungen und/oder geringe Relativbewegungen und/oder Axialbewegungen, die beispielsweise durch Bauteiltoleranzen, elastische Bauteilverformungen oder Wärmedehnungen zwischen den Stromschienen 8,18 und den Stromanschlussbolzen 30 entstehen können, durch eine Verformung (vorzugsweise eine elastische Verformung) der Verbindungslaschen 29 ausgeglichen werden. Dieses Ausgleichsvermögen der Verbindungslaschen 29 ist bei dem gezeigten Motorkonzept besonders sinnvoll, da der Stator 4 dieser Axialflussmaschine 1 auf einer axialen Seite des Motors radial in der Nähe der Wellenlager mit einer Seitenwand des Gehäuses 23 verschraubt ist und der Sockel 31 der Stromanschlussbolzen 30 radial außerhalb des Rotors 17 und radial außenhalb der Stromschienen 8,18 mit dem Gehäuse 23 verbunden ist. Durch die weit entfernt liegenden Befestigungsstellen des Stators 4, zu dem auch die Stromschien 8,18 gehören, und den Stromanschlussbolzen 30, sind Lageungenauigkeiten bei der Montage oder Lageveränderung im Betrieb der Axialflussmaschine 1 zwischen den Stromschien 8,18 und den Stromanschlussbolzen 30 sehr wahrscheinlich.
Die Figuren 4-5 zeigen auch, dass alle elektrischen Leiter, die die Statorspulen 5,25 mit Strom versorgen, radial außerhalb der Statorspulen 5,25 angeordnet wurden. Durch das beschriebene Bauprinzip und das Verschaltungskonzept sind keine elektrischen Leiter zur Versorgung der Statorspulen 5,25 in dem radialen Bereich zwischen der Rotationsachse der Axialflussmaschine 1 und den Statorspulen 5,25 erforderlich. In dem radialen Bereich zwischen dem radialen Innenbereich und dem radialen Außenbereich der Statorspulen 5,25 sind auch keine elektrischen Verbindungen zwischen den Statorspulen 5,25 erforderlich. Da die Statorspulen 5,25 zweilagig gewickelt sind, wobei in einer ersten Windungslage mehrere Windungen axial voreinander verlaufen.
Am Ende dieser ersten Windungslage wird der Draht radial etwas nach außen gezogen, damit eine zweite Windungslage außen um die erste Windungslage herumgewickelt werden kann. Bei dieser zweiten Windungslage wird der Draht axial wieder zurück zum Anfang der ersten Windungslage gewickelt. Daher befinden sich beide Spulenenden 9,10 einer Statorspule 5,25 axial auf einer Seite der entsprechenden Statorspule. Indem man bei dem Ausführungsbeispiel beide Spulenenden 9,10 der Statorspulen 5,25 auf derselben axialen Seite radial außen angeordnet hat, ist der Weg sehr kurz, den die Drähte an den Spulenenden 9,10 bis zu den Stromschienen 8,18 zurücklegen müssen. Dies erleichtert die Montage, spart Material (z.B. Kupfer) und erfordert nur wenig Bauraum. Auch alle anderen beschriebenen Merkmale, wie beispielsweise, dass keine elektrischen Leiter radial innen oder tangential zwischen den Statorspulen 5,25 benötigt werden, ermöglicht eine axial sehr kompakt bauende Axialflussmaschine 1 . Axial muss kein Bauraum für elektrische Leiter, die die Spulen mit Strom versorgen, vorgesehen werden und die mechanische und magnetische Struktur des Stators wird radial innen auch nicht durch Öffnungen, Aussparungen, Freiräume oder Kanäle für elektrische Leiter, die die Spulen versorgen, geschwächt.
Die Figur 5 zeigt eine Anordnung von fünf Spulenpaaren mit ihren Stromschien 8,18 und Phasenanschlüssen 28. In der Figur 5 sind alle bereits zur Figur 4 beschriebenen elektrischen Leiter und deren Verbindungsstellen gut erkennbar. In der Figur 5 ist auch das Verschaltungsprinzip der gezeigten Axialflussmaschine 1 gut nachvollziehbar. Die elektrische Axialflussmaschine 1 wird über die drei Phasenanschlüsse 28 mit Strom versorgt. Nachfolgend wird der Stromfluss von einem Phasenanschluss 28 aus beschrieben. Da es sich um eine Drehstromsystem handelt, fließt der Strom natürlich nicht nur über einen Phasenanschluss 28.
Der Figur 5 ist auch gut entnehmbar, dass die Statorspulen 5,25 jeweils ein erstes Spulenende 9 und ein zweites Spulenenden 10 aufweisen, wobei das erste Spulenende 9 einen radial verlaufenden Abschnitt 11 und einen axial verlaufenden Abschnitt 12 aufweist, und der axial verlaufende Abschnitt 12 eine der Stromschienen 8,18 elektrisch kontaktiert und das zweite Spulenende 10 einen radial verlaufenden Abschnitt 13 und einen axial verlaufenden Abschnitt 14 aufweist, und der axial verlaufende Abschnitt 14 die Sternpunktschiene elektrisch kontaktiert.
Der Strom fließt von einem der drei Stromanschlussbolzen 30 in die daran angeschlossene Stromschiene 8,18 und teilt sich dann auf in die an dieser Stromschien 8,18 angeschlossenen Paaren an Statorspulen 5,25. Der Strom fließt dabei teilweise über eine der Verbindungslaschen 24 der Stromschiene 8,18 in einen Anschlussdraht (Spuleneingang) einer der auf der rechten Seite abgebildeten Spulen 25. Die Spuleneingänge sind bei dem abgebildeten Ausführungsbeispiel die relativ zum Spulenkörper außermittig angeordneten Drähte. Der Strom fließt dann durch die Windungen der Statorspule 25 zum Spulenausgangsdraht (mittig angeordneter Draht). Der Spulenausgangsdraht der ersten Statorspule 25 des Spulenpaares (Spule auf der rechten Seite) ist mit dem Spuleneingangsdraht (mittig angeordneter Draht) der linken Statorspule 5 verbunden. Der Strom fließt dadurch in die zweite Statorspule 5 des in Reihe geschalteten Spulenpaares und fließt dann auch durch dessen Windungen zum Spulenausgangsdraht (außermittig angeordneter Draht), der mit der Sternpunktschiene verbunden ist. Von der Sternpunktschiene aus fließt der Strom zu den beiden anderen Phasenanschlüssen28 der Axialflussmaschine 1 zurück. Der Strom fließt dabei von der Sternpunktschiene aus durch Statorspulen 5,25 zurück, die mit den anderen Phasenanschlüssen 28 verbunden sind. Da das Verschaltungsprinzip aller Statorspulen 5,25 vergleichbar ist, fließt der Strom durch diese Statorspulen 5,25 wie eben beschrieben nur in entgegengesetzter Richtung und passiert so die erwähnten Elemente in umgekehrter Reihenfolge.
Dadurch, dass die Statorspulen 5,25 eines Spulenpaares mit ihren mittig aus dem Spulenkörper rausführenden Drähten verbunden sind, und die Stromschienen 8,18 so ausgestaltet sind, dass die außermittig von den Spulenkörpern abzweigenden Drähte immer auf die richtige Verbindungslasche der jeweils richtigen stromführenden Stromschiene 8,18 treffen, können alle Statorspulen 5,25 baugleich sein. Dies betrifft nicht nur die Außenform der Statorspulen 5,25, sondern auch den Windungssinn der Statorspulen 5,25.
Anhand der Figuren 4-5 wurde beschrieben, wie durch ein Stromversorgungsystem, bestehend aus einer Sternpunktschiene und drei Stromschienen (Stromphase II, Stromphase V und Stromphase W), alle jeweils zu einem in Reihe geschalteten Spulenpaare zusammengeschlossene Statorspulen 5,25 mit Strom versorgt werden können. Es ist alternativ auch möglich auf die Reihenschaltung der gegenüberliegenden Statorspulen 5,25 zu verzichten. Das ist auch durch ein Stromversorgungsystem bestehend aus einer Sternpunktschiene und drei Stromschien (Stromphase II, Stromphase V und Stromphase W) möglich. Jede Statorspule 5,25 ist dann direkt mit einer der Stromschien 8,18 verbunden und das andere Ende der Statorspule 5,25 ist dann mit dem Sternpunktring verbunden. Es können alternativ auch zwei Sternpunktringe verwendet werden, so dass ein Sternpunktring alle Statorspulen 5,25 der einen Statorhälfte bzw. des einen Statorkörpers 15,16 verbindet und der andere Sternpunktring verbindet dann alle Statorspulen 5,25 der anderen Statorhälfte bzw. des anderen Statorkörpers 15,16.
Ein weiteres alternatives Stromversorgungssystem kann aus zwei Sternpunktschienen und sechs Stromschienen gebildet werden. Dann steht für jede Statorhälfte bzw. jeden Statorkörper 15,16 ein eigenes Stromversorgungsystem bestehend aus einer Sternpunktschiene und drei Stromschienen zu Verfügung. Die beiden Stromversorgungsysteme können dieselben drei Phasenanschlüsse nutzen oder jedes Stromversorgungsystem wird jeweils mit drei Phasenanschlüssen ausgestattet. Jede Statorspule ist dann immer auf einer Seite mit einer Stromschiene seiner Statorhälfte bzw. seines Statorkörpers 15,16 verbunden und mit dem anderen Ende mit der Sternpunktschiene seiner Statorhälfte bzw. seines Statorkörpers 15,16.
Bei allen beschrieben Verschaltungsvarianten kann die Sternpunktschiene auch immer durch mehrere Verbindungselemente ersetzt werden, die jeweils die Spulenausgänge einer mit der Phase-U einer mit der Phase-V und einer mit der Phase W verbunden Spulen elektrisch verbinden. Auch bei diesen alternativen Verschaltungsvarianten könne die Stromversorgungsysteme radial außerhalb des Rotors 17 angeordnet werden. So können beispielsweise durch Isolierkörper mit einer erhöhten Anzahl an Schlitzen auch mehr stromführende Schiene in dem Ringraum radial außerhalb des Rotors 17 angeordnet werden. Prinzipiell kann alternativ auch die Dreiecksschaltung verwendet werden. Hierbei entfällt dann die Sternpunktschiene. Die Spulen sind dann mit beiden Enden jeweils an einer anderen Stromschiene (zwei unterschiedliche Stromphasen) verbunden. Alternativ kann pro Statorhälfte bzw. pro Statorkörper 15,16 auch ein separater Ringraum radial außerhalb des Rotors 17 oder radial außerhalb der Statorspulen 5,25 der jeweiligen Statorhälfte bzw. des jeweiligen Statorkörpers 15,16 angeordnet 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.
Die in dieser Anmeldung benutzten Begriffe „radial“, „axial“, „tangential“ und „Umfangsrichtung“ beziehen sich immer auf die Rotationsachse der Axialflussmaschine 1.
Bezuqszeichenliste
1 Axialflussmaschine
2 Antriebsstrang
3 Kraftfahrzeugs
4 Stator
5 Statorspulen
6 Leistungselektronik
7 Hochvolt-Terminal
8 Stromschienen
9 Spulenende
10 Spulenenden
11 Abschnitt
12 Abschnitt
13 Abschnitt
14 Abschnitt
15 Statorkörper
16 Statorkörper
17 Rotor
18 Stromschienen
19 Isolierkörper
20 Nut
21 Nut
22 Rotorwelle
23 Gehäuse
24 Verbindungslaschen
25 Statorspulen
26 Isoliereinlage
27 Statormantel
28 Phasenanschlüsse
29 Verbindungslasche
30 Stromanschlussbolzen
31 Sockel

Claims

Ansprüche Elektrische Axialflussmaschine (1 ), insbesondere für einen Antriebsstrang
(2) eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs
(3), umfassend einen Stator (4) mit einer Mehrzahl von über den Umfang des Stators (4) verteilten Statorspulen (5) und einer Leistungselektronik (6) zur Bestromung der Statorspulen (5) sowie einem Hochvolt-Terminal (7) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Statorspulen (5) und der Leistungselektronik (6), dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung oberhalb der Statorspulen (5) Stromschienen (8) angeordnet sind, die den Stator (4) und/oder einen relativ zum Stator (4) drehbaren Rotor (17) ringförmig umschließen und die Statorspulen (5) elektrisch leitend mit dem Hochvolt-Terminal (7) verbinden. Axialflussmaschine (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Hochvolt-Terminal (7) radial oberhalb der Stromschienen (8) positioniert ist Axialflussmaschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor
(4) der Axialflussmaschine (1 ) einen ersten scheibenförmigen Statorkörper (15) und einen axial von diesem beabstandeten zweiten scheibenförmigen Statorkörper (16) aufweist und axial zwischen dem ersten Statorkörper (15) und dem zweiten Statorkörper (16) ein Rotor (17) angeordnet ist, wobei der erste Statorkörper (15) eine Mehrzahl von über den Umfang des ersten Statorkörpers (15) verteilten ersten Statorspulen (5) und der zweite Statorkörper (16) eine Mehrzahl von über den Umfang des zweiten Statorkörpers (16) verteilten zweiten Statorspulen (25) aufweisen, und in radialer Richtung oberhalb der ersten Statorspulen (5) erste Stromschienen (8) angeordnet sind, die den ersten Statorkörper (15) ringförmig umschließen und die ersten Statorspulen (5) und/oder die zweiten Statorspulen (25) elektrisch leitend mit dem Hochvolt-Terminal (7) verbinden und in radialer Richtung oberhalb der zweiten Statorspulen (25) zweite Stromschienen (18) angeordnet sind, die den zweiten Statorkörper (15) und/oder den Rotor (17) ringförmig umschließen und die ersten Statorspulen (5) und/oder die zweiten Statorspulen (25) elektrisch leitend mit dem Hochvolt- Terminal (7) verbinden. Axialflussmaschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspulen
(5) jeweils ein erstes Spulenende (9) und ein zweites Spulenenden (10) aufweisen, wobei das erste Spulenende (9) einen radial verlaufenden Abschnitt (11 ) und einen axial verlaufenden Abschnitt (12) aufweist, und der axial verlaufende Abschnitt (12) eine der Stromschienen (8,18) oder eine andere Spule elektrisch kontaktiert und/oder das zweite Spulenende (10) einen radial verlaufenden Abschnitt (13) und einen axial verlaufenden Abschnitt (14) aufweist, und der axial verlaufende Abschnitt (14) eine der Stromschienen (8,18) oder eine andere Spule oder eine Sternpunktschiene elektrisch kontaktiert. Axialflussmaschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspulen (5,25) im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.
6. Axialflussmaschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Stromschienen (8) und die zweiten Stromschienen (18) im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.
7. Axialflussmaschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Stromschienen (8) und die zweiten Stromschienen (18) an dem gemeinsamen Hochvolt-Terminal (7) angebunden sind.
8. Axialflussmaschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienen (8,18) und/oder die Sternpunktschiene zumindest abschnittsweise in einem ringförmigen oder ringsegmentförmigen Isolierkörper (19) aufgenommen sind.
9. Axialflussmaschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (19) im Querschnitt eine E-artige Kontur mit zwei radial voneinander beabstandeten, einseitig offenen Nuten (20,21 ) aufweist, in welchen die Stromschienen (8,18) aufgenommen sind.
10. Axialflussmaschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf den entgegengesetzten Rotorseiten angeordnetes Spulenpaar (5,25) elektrisch in Reihe geschaltet ist.
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