DE102022100699A1 - Stator, electrical machine and method of manufacturing a stator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für eine elektrische Maschine (2), umfassend wenigstens einen Statorkörper (3) mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne (4) und zwischen den Statorzähnen (4) gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator (1) erstreckender Statornuten (7), wobei in den Statornuten (7) bestrombare Statorwicklungen (6) aufgenommen sind, und die Statornuten (7) entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund (8) und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung (9) aufweisen, wobei die Nutöffnungen (9) durch ein Nutverschlussmittel (10) verschlossen sind, und das Nutverschlussmittel (10) als Spaltrohr (11) ausgebildet ist, wobei das Spaltrohr (11) in einer Trägermatrix (12) angeordnete Statorzahnkontaktelemente (13) aufweist, welche an jeweils einem der Statorzähne (4) anliegen.The invention relates to a stator (1) for an electrical machine (2), comprising at least one stator body (3) with a large number of stator teeth (4) distributed around the circumference and formed between the stator teeth (4) and extending in the axial direction through the stator ( 1) extending stator slots (7), stator windings (6) which can be energized being accommodated in the stator slots (7), and the stator slots (7) along their radial extent have a slot base (8) at their radially outer end and a slot opening at their radially inner end (9), the slot openings (9) being closed by a slot closing means (10), and the slot closing means (10) being designed as a can (11), the can (11) having stator tooth contact elements (13 ) which rests against one of the stator teeth (4).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend wenigstens einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten bestrombare Statorwicklungen aufgenommen sind, und die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung aufweisen, wobei die Nutöffnungen durch ein Nutverschlussmittel verschlossen sind, und das Nutverschlussmittel als Spaltrohr ausgebildet ist.The present invention relates to a stator for an electrical machine, comprising at least one stator body with a large number of stator teeth distributed around the circumference and stator slots formed between the stator teeth and extending through the stator in the axial direction, stator windings that can be energized being accommodated in the stator slots, and the stator slots along their radial extent at their radially outer end a groove bottom and their radially inner end a groove opening, wherein the slot openings are closed by a slot closure means, and the slot closure means is designed as a split tube.
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.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.
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferenzial oder 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 betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.A detailed description of an electric drive can be found in an article in the ATZ magazine, volume 113, 05/2011, pages 360-365 by Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski and Jens Liebold with the title: Highly integrative and flexible electric drive unit for electric Vehicles. This article describes a drive unit for an axle of a vehicle, which includes an electric motor that is arranged concentrically and coaxially with a bevel gear differential, with a switchable 2-speed planetary gear set being arranged in the power train between the electric motor and the bevel gear differential, which is also is positioned coaxially to the electric motor or the bevel gear differential or spur gear differential. The drive unit is very compact and allows a good compromise between climbing ability, acceleration and energy consumption due to the switchable 2-speed planetary gear set. Such drive units are also referred to as e-axles or electrically operable drive train.
Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.In addition to purely electrically operated drive trains, hybrid drive trains are also known. Such drive trains of a hybrid vehicle usually include a combination of an internal combustion engine and an electric motor, and allow - for example in urban areas - a purely electric mode of operation with simultaneous sufficient range and availability especially for cross-country trips. In addition, there is the possibility, in certain operating situations, to be driven simultaneously by the internal combustion engine and the electric motor.
Bei der Entwicklung der für E-Achsen oder Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der elektrischen Maschinen wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.In the development of electric machines intended for e-axles or hybrid modules, there is a continuing need to increase their power densities, so that the cooling of the electric machines required for this is becoming increasingly important. Due to the necessary cooling capacity, hydraulic fluids, such as cooling oils, have prevailed in most concepts for dissipating heat from the thermally stressed areas of an electrical machine.
Die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung sind beispielsweise aus dem Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen mittels Hydraulikflüssigkeiten bekannt. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der äußeren Oberfläche des Statorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang direkt an den Leitern außerhalb des Statorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid.Jacket cooling and winding overhang cooling are known, for example, from the prior art for cooling electrical machines using hydraulic fluids. While jacket cooling transfers the heat generated on the outer surface of the stator laminations into a cooling circuit, with end winding cooling the heat transfer takes place directly on the conductors outside of the stator laminations in the area of the winding overhangs into the fluid.
Weitere Verbesserungen bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators (siehe z. B.
Es sind auch Konzepte bekannt, bei denen die Wicklungen direkt mit Hydraulikflüssigkeit umströmt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Hydraulikflüssigkeit und Leiter in der Nut ist bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise
Aus dem Stand der Technik sind Statoren bekannt, bei denen ein umlaufend geschlossenes Dichtelement am Stator-Innendurchmesser, z.B. in Form eines Rohrs, verwendet wird. Die radiale Dicke dieses Dichtelements erhöht direkt den elektromagnetisch wirksamen Luftspalt und mindert dadurch die Leistungsfähigkeit der Maschine. Es muss dabei so ausgelegt werden, dass es unter der radialen Druckbelastung im Betrieb, welche hauptsächlich dem Druck des Kühlmediums geschuldet ist, keine unzulässige radiale Verformung nach innen aufweist, welche zur Kollision mit dem Rotor führen kann. Üblich ist hier die Verwendung eines GFK- oder CFK-Rohres, welches zunächst als Einzelteil gefertigt und dann in den Stator-Innendurchmesser eingeschoben wird. Diese Ausführungsart ist jedoch mit einigen Nachteilen verbunden.Stators are known from the prior art in which a circumferentially closed sealing element is used on the inside diameter of the stator, for example in the form of a tube. The radial thickness of this sealing element directly increases the electromagnetically effective air gap and thereby reduces the performance of the machine. It must be designed in such a way that under the radial pressure load during operation, which is mainly due to the pressure of the cooling medium, it does not exhibit any impermissible radial inward deformation, which could lead to a collision with the rotor. It is common here to use a GRP or CFRP tube, which is first manufactured as a single part and then inserted into the inside of the stator knife is inserted. However, this embodiment has some disadvantages.
Die Dicke eines solchen GFK-Rohrs ist technologiebedingt nicht beliebig reduzierbar. Zum Aufbau der Glasfasermatten ist eine Mindest-Dicke erforderlich. Zudem besteht beim Handling mit einem dünnen Rohr von der Einzelteilfertigung bis zur Montage in den Stator ein hohes Beschädigungsrisiko. Das GFK-Rohr wird darüber hinaus üblicherweise an zwei Dichtungen außerhalb des Luftspalts zwischen Stator und Rotor gelagert. Dazwischen muss es sich über seine mechanische Steifigkeit selbst tragen, da keine „haltenden“ Normalkräfte zum Stator-Innendurchmesser übertragen werden. In Abhängigkeit von Durchmesser und Länge des Stators muss das GFK-Rohr daher entsprechend dick ausgelegt werden, um durch die Eigensteifigkeit eine hinreichend geringe radiale Verformung im Betrieb und eine hinreichend hohe Beulsicherheit aufzuweisen. Ebenso muss ein möglichst steifer, faserverstärkter Werkstoff gewählt werden, welcher mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden ist.Due to the technology, the thickness of such a GRP pipe cannot be reduced at will. A minimum thickness is required to build up the glass fiber mats. In addition, there is a high risk of damage when handling a thin tube from the manufacture of individual parts to assembly in the stator. In addition, the GRP pipe is usually mounted on two seals outside the air gap between the stator and the rotor. In between, it has to support itself through its mechanical rigidity, since no "holding" normal forces are transmitted to the inside diameter of the stator. Depending on the diameter and length of the stator, the GRP pipe must therefore be designed with a corresponding thickness in order to have a sufficiently low radial deformation during operation and a sufficiently high buckling resistance due to its inherent rigidity. Likewise, a stiff, fiber-reinforced material must be selected, which is associated with comparatively high costs.
Ferner erhöht der für das Spaltrohr benötigte zusätzliche radiale Platz die Luftspaltlänge und verringert so das Drehmoment M von elektrischen Maschinen erheblich. Schließlich werden das Spaltrohr und der Stator zunächst als toleranzbehaftete Einzelteile angeliefert und müssen dann durch Einschieben des Spaltrohrs in den Stator gefügt werden. Um die Fügbarkeit in kritischer Toleranzlage zu gewährleisten, ergeben sich Toleranzlagen, in welchen Spiel zwischen Stator-Innendurchmesser und dem GFK-Rohr vorliegt. Neben der Rohrdicke erhöht somit auch dieses Fügespiel den elektromagnetisch wirksamen Luftspalt.Furthermore, the additional radial space required for the can increases the length of the air gap and thus significantly reduces the torque M of electrical machines. Finally, the can and the stator are initially delivered as individual parts subject to tolerances and then have to be joined by pushing the can into the stator. In order to ensure the joinability in a critical tolerance position, there are tolerance positions in which there is play between the inside diameter of the stator and the GRP tube. In addition to the tube thickness, this joint clearance also increases the electromagnetically effective air gap.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung die vorstehenden Nachteile zu vermindern oder vollständig zu vermeiden und einen Stator mit einem alternativen umlaufend geschlossenen Dichtelement bereitzustellen, welches gegenüber dem üblichen massiven Rohr eine geringere Erhöhung des elektromagnetisch wirksamen Luftspalts mit einfacherer Montierbarkeit und günstigeren Herstellkosten kombiniert. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, einen Stator für eine elektrische Maschine bereitzustellen, die eine hohe Leistungsdichte durch eine optimierte Kühlung und optimierte elektromagnetische Ausgestaltung aufweist. Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Stators zu realisieren.Based on this state of the art, it is the object of the invention to reduce or completely avoid the above disadvantages and to provide a stator with an alternative circumferentially closed sealing element which, compared to the usual solid tube, increases the electromagnetically effective air gap less and is easier to assemble and cheaper combined manufacturing costs. It is also the object of the invention to provide a stator for an electrical machine that has a high power density due to optimized cooling and an optimized electromagnetic configuration. Furthermore, it is the object of the invention to implement an improved method for producing a stator.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend wenigstens einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten bestrombare Statorwicklungen aufgenommen sind, und die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung aufweisen, wobei die Nutöffnungen durch ein Nutverschlussmittel verschlossen sind, und das Nutverschlussmittel als Spaltrohr ausgebildet ist, wobei das Spaltrohr in einer Trägermatrix angeordnete Statorzahnkontaktelemente aufweist, welche an jeweils einem der Statorzähne anliegen.This object is achieved by a stator for an electrical machine, comprising at least one stator body with a large number of stator teeth distributed around the circumference and stator slots formed between the stator teeth and extending through the stator in the axial direction, with stator windings that can be energized being accommodated in the stator slots, and the Stator slots along their radial extent have a slot bottom at their radially outer end and a slot opening at their radially inner end, the slot openings being closed by a slot closure means, and the slot closure means being designed as a can, the can having stator tooth contact elements arranged in a carrier matrix, which on rest against one of the stator teeth.
Der erfindungsgemäße Stator erlaubt es hierdurch, das erzeugbare Drehmoment innerhalb eines gegebenen Bauraums durch eine Verringerung des Luftspalts zwischen dem Stator und einem Rotor erheblich zu steigern. Ferner kann durch die Ausbildung des Spaltrohres als Kompositbauteil die Druckfestigkeit und das Funktionsprinzip zu traditionellen Spaltrohren beibehalten werden. Auch müssen die magnetischen Kennwerte, wie beispielsweise Maximalstrom, Materialien, Polpaarzahl etc. des Stators bzw. der elektrischen Maschine bei Verwendung des vorgeschlagenen Spaltrohres nicht zwingend angepasst werden. Des Weiteren können Verluste durch Wirbelströme im Spaltrohr auf ein Minimum reduziert werden.The stator according to the invention thus allows the torque that can be generated within a given installation space to be increased considerably by reducing the air gap between the stator and a rotor. Furthermore, by designing the can as a composite component, the compressive strength and the functional principle of traditional cans can be retained. Also, the magnetic characteristics, such as maximum current, materials, number of pole pairs, etc., of the stator or the electrical machine do not necessarily have to be adjusted when using the proposed can. Furthermore, losses due to eddy currents in the can can be reduced to a minimum.
Der erfindungsgemäße Stator ist bevorzugt zur Verwendung in einer Radialflussmaschine ausgebildet. Ein Stator für eine Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen.The stator according to the invention is preferably designed for use in a radial flow machine. A stator for a radial flow machine is usually constructed cylindrically and generally consists of electrical laminations that are electrically insulated from one another and are constructed in layers and packaged to form laminated cores. Distributed over the circumference, grooves which run essentially parallel to the rotor shaft and accommodate the stator winding or parts of the stator winding are let into the electrical lamination.
Es kann ferner auch bevorzugt sein, den Stator als einen Stator für einen Klauenpolmotor, insbesondere ein Klauenpolschrittmotor, auszubilden.Furthermore, it can also be preferred to design the stator as a stator for a claw-pole motor, in particular a claw-pole stepping motor.
In die Statornuten des erfindungsgemäßen Stators sind Statorwicklungen eingelassen. Eine Statorwicklung umfasst elektrisch leitfähige Leiter, deren Längenerstreckung wesentlich größer ist als ihr Durchmesser. Die Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet.Stator windings are let into the stator slots of the stator according to the invention. A stator winding includes electrically conductive conductors whose length is significantly greater than their diameter. In principle, the stator winding can have any desired cross-sectional shape. Rectangular cross-sectional shapes are preferred, since they can be used to achieve high packing densities and consequently high power densities. A stator winding made of copper is very particularly preferably formed.
Der erfindungsgemäße Stator besitzt ferner wenigstens einen Statorkörper. Der Stator kann auch aus mehreren axial aneinandergereihten Statorkörpern aufgebaut sein. Der Statorkörper kann einteilig oder mehrteilig, insbesondere segmentiert ausgebildet sein. Ein einteiliger Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Statorkörper umfänglich gesehen einteilig ausgebildet ist. Der Statorkörper ist dabei in der Regel aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet, wobei jedes der Elektrobleche zu einem Kreisring geschlossen ausgebildet ist. Ein segmentiert aufgebauter Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einzelnen Statorsegmentteilen aufgebaut ist. Der Statorkörper kann dabei aus einzelnen Statorzähnen oder Statorzahngruppen aufgebaut sein, wobei jeder einzelne Statorzahn oder jede einzelne Statorzahngruppe aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet sein kann, wobei jedes der Elektrobleche als Statorsegmentblechteil ausgebildet ist.The stator according to the invention also has at least one stator body. The stator can also be constructed from a plurality of stator bodies arranged in a row in an axial manner. The stator body can be made in one piece or in several pieces, in particular in a segmented manner. A one-piece stator body is characterized in that the entire stator body is formed in one piece, viewed circumferentially. The stator body is generally formed from a large number of stacked, laminated electrical laminations, each of the electrical laminations being closed to form a circular ring. A segmented stator body is characterized in that it is made up of individual stator segment parts. The stator body can be made up of individual stator teeth or stator tooth groups, with each individual stator tooth or each individual stator tooth group being formed from a large number of stacked, laminated electrical laminations, with each of the electrical laminations being designed as a stator segment sheet metal part.
Der Statorkörper ist bevorzugt aus einem oder mehreren Statorblechpaketen gebildet. Als Statorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Statorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Statorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.The stator body is preferably formed from one or more laminated cores of stator. A laminated stator core is understood to mean a plurality of laminated individual laminations or stator laminations, which are generally made of electrical steel and are stacked and packaged one on top of the other to form a stack, the so-called stator core. The individual laminations can then remain held together in the laminated core by gluing, welding or screwing.
In dem Statorkörper sind bevorzugt die Statorzähne des Stators ausgebildet. Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen (Innenläufer) oder radial nach außen (Außenläufer) gerichtete Teile des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld und für die rotative Bewegung des Rotors gebildet ist. Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende unmagnetische Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das beispielsweise ein im Wesentlichen kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht.The stator teeth of the stator are preferably formed in the stator body. Stator teeth are components of the stator body that are designed as circumferentially spaced, tooth-like parts of the stator body that are directed radially inwards (inner rotor) or radially outwards (outer rotor) and between their free ends and a rotor body there is an air gap for the magnetic field and for the rotative Movement of the rotor is formed. The non-magnetic gap between the rotor and the stator is called the air gap. In the case of a radial flux machine, this is, for example, an essentially annular gap with a radial width that corresponds to the distance between the rotor body and the stator body.
Der Stator ist insbesondere bevorzugt für die Verwendung in einer elektrischen Maschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen.The stator is particularly preferably provided for use in an electric machine within a drive train of a motor vehicle. The electric machine is intended in particular for use within a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle.
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 die elektrische Maschine eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.In particular, 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 electrical machine particularly preferably has a power of more than 30 kW, preferably more than 50 kW and in particular more than 70 kW. Furthermore, it is preferred that the electrical machine provides speeds greater than 5,000 rpm, particularly preferably greater than 10,000 rpm, very particularly preferably greater than 12,500 rpm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Spaltrohr zu einem Rotor der elektrischen Maschine hin eine ebene Zylinderfläche aufweist, was dazu beiträgt, den Luftspalt zwischen dem Stator und einem Rotor möglichst gering auszuführen.According to an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the can has a flat cylindrical surface towards a rotor of the electrical machine, which helps to keep the air gap between the stator and a rotor as small as possible.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Statorzahnkontaktelemente die Trägermatrix des Spaltrohres in radialer Richtung vollständig durchgreifen. Es kann hierdurch erreicht werden, dass die magnetische Flussdichte durch das Spaltrohr und in dem Luftspalt zwischen dem Rotor und einem Stator weiter gesteigert werden kann.According to a further preferred further development of the invention, it can also be provided that the stator tooth contact elements completely penetrate the carrier matrix of the can in the radial direction. It can hereby be achieved that the magnetic flux density can be further increased through the can and in the air gap between the rotor and a stator.
Grundsätzlich wäre es aber auch denkbar, dass die Trägermatrix eine oder alle Statorzahnkontaktelemente umfänglich an der zum Rotor hin gerichteten Mantelfläche ganz oder teilweise überdeckt. So können beispielsweise Taschen ausgebildet werden, die einen direkten Kontakt des Rotorraums zu den Statorzahnkontaktelementen vermeiden oder zumindest verringern. Dies kann insbesondere bei einer Exposition von Medien im Rotorraum relevant werden, die beispielsweise zu einer Korrosion der Statorzahnkontaktelemente führen können.In principle, however, it would also be conceivable for the carrier matrix to completely or partially cover one or all of the stator tooth contact elements circumferentially on the lateral surface directed towards the rotor. For example, pockets can be formed that prevent or at least reduce direct contact between the rotor space and the stator tooth contact elements. This can be relevant in particular when media are exposed in the rotor space, which can lead to corrosion of the stator tooth contact elements, for example.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Trägermatrix aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Epoxidharz, gebildet ist, wodurch das Spaltrohr besonders leichtbauend ausgeführt werden kann.Furthermore, according to a likewise advantageous embodiment of the invention, provision can be made for the carrier matrix to be formed from a plastic, in particular from an epoxy resin, as a result of which the can can be designed to be particularly lightweight.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Statorzahnkontaktelemente aus einem metallischen Material, insbesondere aus einem lamellierten ferromagnetischen metallischen Material, gebildet sind. Höchst bevorzugt ist es, dass das Material der Statorzahnkontaktelemente dem Material der Statorzähne entspricht. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass besonders hohe Magnetflussdichten im Luftspalt erzielbar sind.According to a further particularly preferred embodiment of the invention, provision can be made for the stator tooth contact elements to be formed from a metallic material, in particular from a laminated ferromagnetic metallic material. It is highly preferred that the material of the stator tooth contact elements corresponds to the material of the stator teeth. In this way, the effect can be achieved in particular that particularly high magnetic flux densities can be achieved in the air gap.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass das Spaltrohr aus einer Trägermatrix aus einem martensitischen Stahl und Statorzahnkontaktelementen aus ferritischem Stahl gebildet ist.In principle, it would also be conceivable for the can to be formed from a carrier matrix made from martensitic steel and stator tooth contact elements made from ferritic steel.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Grundform der Statorzahnkontaktelemente im Wesentlichen der Grundform der Statorzähne entspricht, wodurch die Anlagefläche zwischen den Statorzähnen und den Statorzahnkontaktelementen optimal ausgenutzt werden kann. Insbesondere sind die Statorzähne und die Statorzahnkontaktelemente so ausgeführt, dass sie eine vollständige Überdeckung in ihrem Kontaktbereich aufweisen.Furthermore, the invention can also be further developed such that the basic shape of the stator tooth contact elements essentially corresponds to the basic shape of the stator teeth, as a result of which the contact surface between the stator teeth and the stator tooth contact elements can be optimally utilized. In particular, the stator teeth and the stator tooth contact elements are designed in such a way that they have a complete overlap in their contact area.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Spaltrohr mittels eines adaptiven Fertigungsverfahrens geformt ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Spaltrohr flexibel an konstruktive Gegebenheiten des Stators anpassbar ist.In a likewise preferred embodiment variant of the invention, it can also be provided that the can is formed by means of an adaptive manufacturing process. In this way it can be achieved that the can is flexibly adaptable to structural conditions of the stator.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Spaltrohr eine im Wesentlichen zylinderringförmige Grundform aufweist, mit einer im Wesentlichen konstanten Zylinderwandstärke von 0,25-2,00 mm, bevorzugt 0,75-1,5 mm.It can also be advantageous to further develop the invention in such a way that the can has an essentially cylindrical basic shape, with an essentially constant cylinder wall thickness of 0.25-2.00 mm, preferably 0.75-1.5 mm.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend einen Stator nach einem der Ansprüche 1-8 und einem relativ zum Stator drehbar gelagerten Rotor.The object of the invention is also achieved by an electrical machine comprising a stator according to one of Claims 1-8 and a rotor which is mounted such that it can rotate relative to the stator.
Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung gelöst werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, umfassend die folgenden Schritte:
- a. Bereitstellung eines zylinderringförmigen Statorkörpers mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, welche entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung aufweisen,
- b. Einsetzen von Statorwicklungen in die Statornuten,
- c. Bereitstellung eines Nutverschlussmittels zum Verschluss der Nutöffnungen, wobei das Nutverschlussmittel als Spaltrohr ausgebildet ist, wobei das Spaltrohr in einer Trägermatrix angeordnete Statorzahnkontaktelemente aufweist,
- d. Einsetzen des Spaltrohres in den Stator, so dass die Statorzahnkontaktelemente jeweils an einem der Statorzähne anliegen.
- a. Provision of a cylindrical ring-shaped stator body with a multiplicity of stator teeth distributed around the circumference and stator slots formed between the stator teeth and extending through the stator in the axial direction, which along their radial extent have a slot bottom at their radially outer end and a slot opening at their radially inner end,
- b. inserting stator windings into the stator slots,
- c. Provision of a slot closure means for closing the slot openings, the slot closure means being designed as a can, the can having stator tooth contact elements arranged in a carrier matrix,
- i.e. Insertion of the can in the stator so that the stator tooth contact elements are each in contact with one of the stator teeth.
Dieses Herstellverfahren erlaubt ein kostengünstiges wie besonders montagesicheres Produzieren eines Stators mit einer besonders hohen Drehmomentleistung.This manufacturing process allows a stator with a particularly high torque output to be produced in a cost-effective and particularly safe manner.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to figures without restricting the general inventive idea.
Es zeigt:
-
1 eine elektrische Maschine in einer schematischen Querschnittsansicht, -
2 einen Stator eines Klauenpolschrittmotors in einer perspektivischen Darstellung, -
3 einen Stator eines Klauenpolschrittmotors mit einem ersten Spaltrohr in einer perspektivischen Darstellung, -
4 einen Stator eines Klauenpolschrittmotors mit einem zweiten Spaltrohr in einer perspektivischen Darstellung, -
5 ein Spaltrohr in einer perspektivischen Darstellung.
-
1 an electrical machine in a schematic cross-sectional view, -
2 a perspective view of a stator of a claw-pole stepping motor, -
3 a perspective view of a stator of a claw-pole stepping motor with a first can, -
4 a stator of a claw-pole stepper motor with a second can in a perspective view, -
5 a can in a perspective view.
Die
Hierbei würde ein „unmagnetisches“ Spaltrohr die Luftspaltlänge und damit die magnetische Reluktanz maßgeblich erhöhen. Ein weniger verketteter magnetischer Fluss und eine höhere magnetische Streuung wären dir Folge.A "non-magnetic" can would significantly increase the length of the air gap and thus the magnetic reluctance. A less interlinked magnetic flux and a higher magnetic scattering would result.
Die Erfindung schlägt daher zur Verringerung der Luftspaltlänge die Integration des Spaltrohres 11 als Bestandteil des Stators 1 vor. Hierzu weist das Spaltrohr 11 in einer Trägermatrix 12 angeordnete Statorzahnkontaktelemente 13 auf, welche an jeweils einem der Statorzähne 4 anliegen. Hierdurch erfolgt eine Art von radialer Verlängerung der Statorzähne 4 in radialer Richtung zum Rotor 14 hin. Hierdurch kann der Luftspalt zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 14 auf ein Minimum verringert werden und das durch den Stator generierbare Drehmoment gesteigert werden.The invention therefore proposes integrating the can 11 as a component of the
Dies wird anhand der Ausführungsformen der
In der
Aus den
In der
Die Trägermatrix 12 ist in dem gezeigten Beispiel aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Epoxidharz, und die Statorzahnkontaktelemente 13 aus einem metallischen Material, insbesondere aus einem ferromagnetischen metallischen Material, gebildet. Wie sich besonders gut aus einer Zusammenschau der
Wie auch in der
Zur Herstellung eines Stators 1 für eine elektrische Maschine 2, wie er in der
- Zunächst erfolgt eine Bereitstellung eines zylinderringförmigen Statorkörpers 3 mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 4 und zwischen
den Statorzähnen 4 gebildeten, sich in axialer Richtung durchden Stator 1erstreckender Statornuten 7, welche entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einenNutgrund 8 und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung 9 aufweisen. Nachfolgend wird einEinsetzen von Statorwicklungen 6 indie Statornuten 7 durchgeführt. Hiernach erfolgt die Bereitstellung eines Nutverschlussmittels 10 zum Verschluss der Nutöffnungen 9, wobei das Nutverschlussmittel 10 als Spaltrohr 11 ausgebildet ist, wobei das Spaltrohr 11 ineiner Trägermatrix 12angeordnete Statorzahnkontaktelemente 13 aufweist. Abschließend erfolgt das Einsetzen des Spaltrohres 11 inden Stator 1, so dass dieStatorzahnkontaktelemente 13 jeweils an einem derStatorzähne 4 anliegen.
- First, a cylindrical ring-shaped
stator body 3 is provided with a large number ofstator teeth 4 distributed around the circumference andstator slots 7 formed between thestator teeth 4 and extending in the axial direction through thestator 1, which along their radial extension at their radially outer end have aslot base 8 and their have a groove opening 9 at the radially inner end.Stator windings 6 are then inserted intostator slots 7 . This is followed by the provision of a slot closure means 10 for closing the slot openings 9 , the slot closure means 10 being designed as a can 11 , the can 11 having statortooth contact elements 13 arranged in acarrier matrix 12 . Finally, the can 11 is inserted into thestator 1 so that the statortooth contact elements 13 each rest against one of thestator teeth 4 .
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.The invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The foregoing description is therefore not to be considered as limiting but as illustrative. The following patent claims are to be understood in such a way that a mentioned feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other features. If the patent claims and the above description define 'first' and 'second' feature, this designation serves to distinguish between two similar features without establishing a ranking.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Statorstator
- 22
- elektrische Maschineelectric machine
- 33
- Statorkörperstator body
- 44
- Statorzähne stator teeth
- 66
- Statorwicklungenstator windings
- 77
- Statornutenstator slots
- 88th
- Nutgrundgroove bottom
- 99
- Nutöffnunggroove opening
- 1010
- Nutverschlussmittelslot sealing means
- 1111
- Spaltrohrcracking tube
- 1212
- Trägermatrixcarrier matrix
- 1313
- Statorzahnkontaktelementestator tooth contact elements
- 1414
- Rotorrotor
- 1515
- Zylinderwandstärkecylinder wall thickness
- 1616
- Stegewebs
- 1717
- Nutengrooves
- 1818
- Ringspulentoroidal coils
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 3157138 A1 [0007]EP 3157138 A1 [0007]
- DE 102015013018 A1 [0008]DE 102015013018 A1 [0008]
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022100699.9A DE102022100699A1 (en) | 2022-01-13 | 2022-01-13 | Stator, electrical machine and method of manufacturing a stator |
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ID=86895296
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102015013018A1 (en) | 2015-10-07 | 2017-04-13 | Audi Ag | Stator for an electric machine |
EP3157138A1 (en) | 2015-10-12 | 2017-04-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for cooling a stack of metal sheets, stack of metal sheets, rotor, stator and electric machine |
-
2022
- 2022-01-13 DE DE102022100699.9A patent/DE102022100699A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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