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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Stator für einen Elektromotor und einen Elektromotor mit einem solchen Stator.
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Stand der Technik
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Elektromotoren weisen einen Stator und einen Rotor auf. Der Stator weist eine Mehrzahl von Spulen auf, die jeweils um einen Statorzahn gewickelt sind, wobei die Statorzähne sich in einer radialen Richtung von einem Statorkörper erstrecken und in einer Umfangsrichtung des Stators nebeneinander angeordnet sind.
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Zwischen den so angeordneten Statorzähnen wird eine Statornut gebildet, welche die Spulenwicklungen aufnimmt. Die Statornut wird zur elektrischen Isolierung und mechanischen Fixierung der Wicklungen beispielsweise mit einem Isolationspapier abgedeckt, damit die Wicklungen der Spulen in ihrer vorgesehen Position gehalten werden, um beispielsweise einen Kontakt mit dem Rotor in oder außerhalb des Betriebs zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt einen Stator bereit, der sich durch eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit auszeichnet.
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Es wurde festgestellt, dass sich zwischen den Spulenwicklungen an einem axialen Ende der Statorzähne bzw. der Statornut und dem Rotor ein elektrisches Feld aufbaut, welches insbesondere bedingt durch die Ansteuerung mit einem Pulswechselrichter zu einer auf dem Rotor influenzierten hochfrequenten Wechselspannung sowie bei einer Nichtisolation der Rotorwelle zu hochfrequenten Ableitströmen führt. Diese Effekte können eine geforderte elektromagnetische Verträglichkeit eines Elektromotors in erheblichem Maße beeinträchtigen.
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Der Stator wie im Folgenden beschrieben reduziert oder verhindert eine kapazitive Überkopplung zwischen den in einer Statornut angeordneten Spulenwicklungen und dem Rotor.
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Gemäß einem Aspekt ist ein Stator für einen Elektromotor angegeben. Der Stator weist einen Statorkörper mit einem ersten Statorzahn und einem zweiten Statorzahn, welche sich in einer radialen Richtung des Stators von dem Statorkörper erstrecken, auf. Der erste Statorzahn und der zweite Statorzahn sind in einer Umfangsrichtung des Stators so nebeneinander angeordnet, dass sich zwischen dem ersten Statorzahn und dem zweiten Statorzahn eine Statornut befindet. Der Stator ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen Nutverschluss aufweist, wobei der Nutverschluss ein elektrisch leitfähiges Material aufweist und so angeordnet ist, dass der Nutverschluss die Statornut zumindest teilweise überdeckt.
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Damit stellt der elektrisch leitfähige Nutverschluss eine Abschirmung des elektrischen Feldes, welches sich zwischen den Statorwicklungen und dem Rotor ausbreiten kann, dar.
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Der Nutverschluss kann in einer Ausführungsform ein elektrisch leitfähiger flacher oder bandförmiger Körper, beispielsweise in Form eines Bleches, sein. Der Nutverschluss weist bevorzugterweise eine Materialdicke von einigen Zehntel Millimetern auf, z.B. 0,2 bis 0,7 mm, insbesondere 0,4 bis 0,6 mm, insbesondere 0,5 mm.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Nutverschluss so angeordnet, dass er die Statornut vollständig überdeckt.
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Dies kann die Abschirmung störender elektrischer Felder verbessern und so die elektromagnetische Verträglichkeit weiter erhöhen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Nutverschluss mit dem ersten Statorzahn elektrisch verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Nutverschluss einen ersten Randbereich auf, welcher den Nutverschluss mit dem ersten Statorzahn elektrisch verbindet.
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Die elektrische Verbindung kann gemeinsam mit einer mechanischen Kopplung des ersten Randbereichs mit dem ersten Statorzahn erfolgen. Dabei kann eine kraft-, form- oder materialschlüssige Verbindung mit oder ohne Materialzusatz verwendet werden, um die elektrische und/oder mechanische Verbindung zwischen dem ersten Randbereich des Nutverschlusses und dem ersten Statorzahn herzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Nutverschluss einen zweiten Randbereich auf, welcher den Nutverschluss mit dem zweiten Statorzahn elektrisch verbindet.
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Dadurch, dass beide Randbereiche des Nutverschlusses mit jeweils einem Statorzahn verbunden sind verbessert sich zum einen die elektrische Leitfähigkeit der elektrischen Verbindung und zum anderen die Festigkeit und Belastbarkeit der mechanischen Verbindung zwischen dem Nutverschluss und den Statorzähnen. Weiterhin kann durch diese zweiseitige Verbindung eine Gefahr, dass der Nutverschluss ungewollt den Rotor berührt, entgegengewirkt werden, da der Nutverschluss besser in seiner Sollposition fixiert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Nutverschluss einen ersten Nutverschlussabschnitt und einen zweiten Nutverschlussabschnitt auf, wobei der Nutverschlussabschnitt und der zweite Nutverschlussabschnitt elektrisch voneinander getrennt sind.
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Der erste und zweite Nutverschlussabschnitt können beispielsweise durch eine Halbierung bzw. Zweiteilung des Nutverschlusses bereitgestellt werden. Insbesondere kann der Nutverschluss so geteilt werden, dass der erste Nutverschlussabschnitt elektrisch und/oder mechanisch nur mit dem ersten Statorzahn und der zweite Nutverschlussabschnitt elektrisch und/oder mechanisch nur mit dem zweiten Statorzahn verbunden ist.
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Diese elektrische bzw. galvanische Trennung des ersten und zweiten Nutverschlussabschnittes kann zu einer Verhinderung einer unerwünschten Erwärmung des Nutverschlusses durch Wirbelströme, welche durch das zeitveränderliche magnetische Feld hervorgerufen werden, beitragen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Nutverschluss ein Trägermaterial auf, auf dem das elektrisch leitfähige Material angeordnet ist.
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Das Trägermaterial kann in einer Ausführungsform elektrisch isolierend ausgeführt sein und kann zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Nutverschlusses beitragen.
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Bei dem Trägermaterial kann es sich beispielsweise um Isolierpapier oder um ein elektrisch nicht leitfähiges Harz handeln.
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Der Nutverschluss kann mit dem Trägermaterial mechanisch gekoppelt werden, beispielsweise durch eine Klebeverbindung, welche den Nutverschluss und das Trägermaterial flächig miteinander verbindet.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Nutverschluss um eine Beschichtung des Trägermaterials in Form von elektrischen Leiterplatten auf einer Oberfläche des Trägermaterials.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Trägermaterial so ausgeführt, dass es den ersten Randbereich und den zweiten Randbereich nicht überlappt.
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Damit ermöglicht diese Ausführungsform, dass die beiden Randbereiche weiterhin für eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Nutverschluss und den Statorzähnen zur Verfügung stehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
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Aluminium zeichnet sich im Vergleich zu manch anderen elektrischen Leitern durch sein vergleichsweise geringes Gewicht aus und kann insbesondere in Einsatzgebieten sinnvoll sein, in denen ein niedriges Gewicht ein entscheidender Parameter ist. Alternativ zu Aluminium kann auch Kupfer, Silber oder Gold oder eine Legierung hiervon verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der erste Nutverschlussabschnitt und der zweite Nutverschlussabschnitt jeweils eine kammförmige Struktur mit einer Mehrzahl von Zähnen auf, wobei die Mehrzahl von Zähnen so angeordnet sind, dass sie sich von dem ersten Nutverschlussabschnitt bzw. von dem zweiten Nutverschlussabschnitt in Umfangsrichtung erstrecken und jeweils in die zwischen den Zähnen des anderen Nutverschlussabschnittes liegenden Zahnzwischenräume eingreifen.
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Damit liegen die Zähne der in Umfangsrichtung gegenüberliegend angeordneten Nutverschlussabschnitte zumindest abschnittsweise nebeneinander, wobei sich aber die Zähne des ersten Nutverschlussabschnittes und die Zähne des zweiten Nutverschlussabschnittes nicht berühren und so keine elektrische Verbindung herstellen.
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Durch die kammförmige Struktur wird die Entstehung und Ausbreitung von Wirbelströmen in den Nutverschlussabschnitten weitestgehend verhindert bzw. unterbunden.
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In anderen Worten führt eine zerklüftete bzw. kammförmige Struktur der Nutverschlussabschnitte dazu, dass entstandene Wirbelströme sich über den Nutverschlussabschnitt nicht oder kaum ausbreiten können, so dass eine durch Wirbelströme erfolgende Erwärmung weitestgehend unterbunden wird.
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Die Nutverschlussabschnitte können insbesondere so angeordnet sein, dass die Zähne der gegenüberliegenden Nutverschlüsse in axialer Richtung des Stators einen geringen Abstand zueinander haben, beispielsweise von wenigen Hundertstel bis Zehntel Millimetern. Die Breite der Zähne, d.h. eine Ausdehnung der Zähne in axialer Richtung des Stators, kann zwischen wenigen Millimetern, z.B. 1, 2 oder 3 Millimetern bis zu wenigen Zentimetern, z.B. 1 bis 2 Zentimeter, betragen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der erste Statorzahn eine Ausnehmung auf, wobei der erste Randbereich in der Ausnehmung angeordnet ist.
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Die Ausnehmung kann in Form einer Rille, Kerbe oder Nut in einer Stirnfläche oder einer Seitenfläche des Statorzahns angeordnet sein und kann es ermöglichen, dass ein Platzbedarf für den Nutverschluss gering gehalten wird, da eine mechanische und elektrische Kopplung mittels der Ausnehmung erfolgt. Eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Statorzahn und dem Nutverschluss kann damit innerhalb der Ausnehmung erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Ausnehmung eine Kerbe und der erste Randbereich ist mittels einer formschlüssigen Verbindung mit der Ausnehmung mechanisch gekoppelt ist.
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Die Ausnehmung kann einen keilförmigen Querschnitt aufweisen, wobei der erste Randbereich in Richtung des sich verengenden Abstandes der Seitenflächen der Kerbe eingeschoben wird, so dass eine kraftschlüssige Verbindung in Form einer Klemmverbindung zwischen der Kerbe und dem ersten Randbereich hergestellt wird. Die Klemmverbindung stellt dabei sowohl die elektrische als auch die mechanische Verbindung zwischen dem Nutverschluss und dem Statorzahn her.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Elektromotor angegeben, der einen Stator wie oben und im Folgenden beschrieben aufweist.
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Der Elektromotor kann einen Innenrotor oder einen Außenrotor aufweisen, ohne dass dies Einfluss hat auf die Anordnung des Nutverschlusses wie oben und im Folgenden beschrieben. Auch kann der Nutverschluss zwischen zwei Statorzähnen so angeordnet sein, dass das elektrisch leitfähige Material auf dem Trägermaterial auf einer oder auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet ist. Der Nutverschluss kann in einem montierten Zustand so angeordnet sein, dass im Falle einer einseitigen Anordnung des elektrisch leitfähigen Materials auf dem Trägermaterial das elektrisch leitfähige Material in Richtung des Rotors oder in Richtung des Stators angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Elektromotor eine Pulswechselrichtermaschine.
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Insbesondere bei Pulswechselrichtermaschinen kann sich die Herausforderung hochfrequenter Ableitströme stellen, so dass der Nutverschluss wie oben und im Folgenden beschrieben die elektromagnetische Verträglichkeit insbesondere solcher Maschinen verbessern kann.
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Im Folgenden werden mit Bezug zu den Zeichnungen Ausführungsbeispiele des Stators und der Elektromaschine beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Teildarstellung eines Elektromotors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Nutverschlusses für einen Stator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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3 zeigt eine schematische Teildarstellung eines Stators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
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Die Darstellungen in den Zeichnungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Werden gleiche Bezugsziffern verwendet, so betreffen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Elektromotors 100 mit einem Stator 110 und einem Rotor 120. Der Rotor 120 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Innenrotor ausgeführt.
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Der Rotor 120 weist eine Rotorwelle 121 auf, welche den Rotationsmittelpunkt des Rotors darstellt. Die Rotorwelle 121 erstreckt sich in einer axialen Richtung 106 aus der Zeichenebene heraus bzw. in diese hinein.
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Der Stator 110 weist einen Statorkörper 111 auf, an dem Statorzähne angeordnet sind und sich in radialer Richtung 104 von dem Statorkörper 111 in Richtung des Rotors 120 und dessen Rotorwelle 121 erstrecken. Der erste Statorzahn 112A und der zweite Statorzahn 112B sind in einer Umfangsrichtung 102 des Stators 110 nebeneinander so angeordnet, dass zwischen ihnen eine Statornut 114 gebildet wird, in der die Statorwicklungen 113 verlaufen.
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Die Statornut 114 wird in Umfangsrichtung 102 durch einen ersten Nutverschluss 140 und einen zweiten Nutverschluss 150 abgedeckt bzw. überdeckt.
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Der zweite Nutverschluss 150 kann dabei die Funktion erfüllen, die Statorwicklungen 113 in ihrer Position zu halten und diese elektrisch gegen den Rotor 120 zu isolieren. Dabei kann der zweite Nutverschluss jeweils mit zueinander zugewandten Seitenflächen 118A, 118B der benachbarten Statorzähne 112A, 112B mechanisch und/oder elektrisch verbunden sein.
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Der erste Nutverschluss 140 weist einen ersten Randbereich 141A und einen zweiten Randbereich 141B auf, wobei die Randbereiche 141A, 141B jeweils mit dem ersten Statorzahn 112A bzw. mit dem zweiten Statorzahn 112B und insbesondere mit einer Stirnfläche 116 des ersten bzw. zweiten Statorzahns 112A, 112B mechanisch und/oder elektrisch verbunden sind. In anderen Worten greifen die Randbereiche 141A, 141B in die Stirnfläche 116 der Statorzähne 112A, 112B ein.
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Der erste und zweite Randbereich 141A, 141B sind an in Umfangsrichtung 102 entgegengesetzten Enden des Nutverschlusses 140 angeordnet. Der Nutverschluss 140 deckt eine Breite der Statornut 114 in Umfangsrichtung 102 vollständig ab.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der erste Nutverschluss 140 und der zweite Nutverschluss 150 in 1 als einzelne Bauelemente ausgeführt sind. In einem Ausführungsbeispiel kann jedoch ein als einzelnes Bauteil ausgeführter Nutverschluss sowohl die elektrisch isolierende Funktion als auch die Verhinderung einer kapazitiven Überkopplung erfüllen, indem der Nutverschluss ein isolierendes Trägermaterial mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aufweist.
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2 zeigt einen Nutverschluss 140 mit einem ersten Nutverschlussabschnitt 142 und einem zweiten Nutverschlussabschnitt 143, welche jeweils auf einem Trägermaterial 145 angebracht sind. Die axiale Richtung 106 des Elektromotors aus 1 verläuft in der Darstellung der 2 von oben nach unten; damit überdeckt der Nutverschluss zumindest eine axiale Länge der Statornut.
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Das Trägermaterial 145 weist keine Verbindung zu dem ersten und zweiten Randbereich 141A, 141B auf, damit die Randbereiche 141A, 141B elektrisch mit den Statorzähnen verbunden werden können.
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Der erste Nutverschlussabschnitt 142 und der zweite Nutverschlussabschnitt 143 weisen jeweils eine kammförmige Struktur auf, wobei sich die Zähne 144A, 144B der Nutverschlussabschnitte 142, 143 in Umfangsrichtung 102 jeweils in Richtung des anderen Nutverschlussabschnittes erstrecken, in Umfangsrichtung 102 zumindest abschnittsweise nebeneinander liegen und in die Zahnzwischenräume 147A, 147B des jeweils anderen Nutverschlussabschnittes eingreifen. Dabei wird zwischen den Nutverschlussabschnitten 142, 143 und deren Zähnen 144A, 144B keine elektrische Verbindung hergestellt und es wird sichergestellt, dass zwischen den Nutverschlussabschnitten 142, 143 kein Spalt vorliegt, der sich geradlinig in axialer Richtung 106 über den gesamten Nutverschluss 140 erstreckt.
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3 zeigt einen Stator 110 mit einem ersten Statorzahn 112A und einem in Umfangsrichtung 102 daneben liegenden zweiten Statorzahn 112B, wobei die beiden Statorzähne sich in radialer Richtung 104 von dem Stator 110 erstrecken.
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Die beiden Statorzähne 112A, 112B weisen an einer Stirnfläche 116 jeweils eine keilförmige Ausnehmung 117 bzw. eine Kerbe auf, in welcher jeweils ein Randbereich 141A, 141B des Nutverschlusses 140 angeordnet ist und eine elektrische und/oder mechanische Verbindung zwischen dem Nutverschluss 140 und den Statorzähnen 141A, 141B herstellt. Durch die Vertiefung der Ausnehmung in radialer Richtung 104 kann eine feste mechanische Verbindung zwischen dem Nutverschluss 140 und den Statorzähnen 112A, 112B hergestellt werden, ohne dass dabei eine übermäßige Erhöhung des Statoraufbaus in Richtung des Rotors 120 erfolgt. In anderen Worten wird es ermöglicht, dass der Nutverschluss 140 die Statornut 114 bündig oder beinahe bündig mit den Stirnflächen 116 der Statorzähne 112A, 112B abschließt bzw. überdeckt.
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Der Nutverschluss 140 weist ein elektrisch isolierendes Trägermaterial 145 auf, welches in radialer Richtung 104 außen an dem Nutverschluss angeordnet ist, also in Richtung der Statornut 114 zwischen den Statorzähnen 112A, 112B zeigt.
