DE102017200091A1 - Electric machine and an insulating material strip for such a machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Antriebsmaschine für ein Hybrid- oder Elektro-Fahrzeug mit einem Stator, der eine aus einem Wickeldraht gebildete Wicklung trägt. Die Wicklung hat mehrere Wickelköpfe, die durch einzelne mit einer Biegung versehene Drahtabschnitte gebildet sind. Diese Drahtabschnitte sind durch einen in seiner Grundform trapezförmigen Isoliermaterialstreifen (6) elektrisch gegeneinander isoliert, wobei jeder Isoliermaterialstreifen (6) zwei parallele Basisseiten (7) aufweist, von denen die längere die Grundseite (8) bildet. Die Grundseite (8) ist durch eine Ausnehmung (9) derart unterbrochen, dass zwei Schenkel (10) des Isoliermaterialstreifens (6) mit parallelen Seitenlinien (11) entstehen, die spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Hierdurch wird eine unnötige und unerwünschte Überlappung benachbarter Isoliermaterialstreifen (6) vermieden und dadurch die äußeren Abmessungen der Wickelköpfe in radialer Richtung vermindert und ein hoher Kupferfüllfaktor durch eine engere Wicklung erreicht.The invention relates to a drive machine for a hybrid or electric vehicle with a stator carrying a winding formed from a winding wire. The winding has a plurality of windings formed by individual bent wire sections. These wire sections are electrically insulated from one another by a strip of insulating material (6) trapezoidal in its basic form, each strip of insulating material (6) having two parallel base sides (7), of which the longer forms the base side (8). The base side (8) is interrupted by a recess (9) such that two legs (10) of the strip of insulating material (6) with parallel side lines (11) are formed, which are arranged mirror-symmetrically to each other. This avoids unnecessary and undesirable overlapping of adjacent strips of insulating material (6) and thereby reduces the outer dimensions of the winding heads in the radial direction and achieves a high copper filling factor through a narrower winding.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer aus zumindest einem Wickeldraht gebildeten Wicklung und mit einem die Wicklung tragenden Stator, wobei die Wicklung mehrere aus dem Wickeldraht gebildete Wickelköpfe sowie im Bereich der Wickelköpfe benachbarte, mit einer Biegung versehene Drahtabschnitte aufweist, die durch Isoliermaterialstreifen elektrisch gegeneinander isoliert sind, welche jeweils durch eine trapezförmige Hüllkurve mit einer Basisseite und einer hierzu parallelen Grundseite begrenzt sind. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Isoliermaterialstreifen für eine elektrische Maschine.The invention relates to an electrical machine having a winding formed from at least one winding wire and a stator carrying the winding, wherein the winding has a plurality of winding heads formed from the winding wire and adjacent, provided with a bend wire sections in the region of the winding heads, which by Isoliermaterialstreifen electrically against each other are isolated, which are each bounded by a trapezoidal envelope with a base side and a base side parallel thereto. Furthermore, the invention relates to a Isoliermaterialstreifen for an electrical machine.
Für den Einsatz von elektrischen Maschinen für Antriebe, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, ist es zunehmend von Bedeutung, eine hohe Leistungsdichte zu erreichen. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass eine Baugröße und ein Materialeinsatz bei Maximierung einer abgegebenen Leistung einer solchen Elektromaschine verringert werden. Insbesondere im Bereich von Kraftfahrzeugen wird angestrebt, ein Gesamtgewicht der Fahrzeuge auch durch geringeres Gewicht der elektrischen Maschinen zu verringern. Hierdurch können beispielsweise Kosten und Energieverbrauch gesenkt und Schadstoffemissionen verringert werden. Eine Möglichkeit, eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, ist ein hoher elektrischer Füllfaktor.For the use of electric machines for drives, for example for motor vehicles, it is increasingly important to achieve a high power density. This may mean, for example, that a size and a material use are reduced while maximizing a given power of such an electric machine. Particularly in the field of motor vehicles, the aim is to reduce the total weight of the vehicles by reducing the weight of the electrical machines. As a result, for example, costs and energy consumption can be reduced and pollutant emissions can be reduced. One way to achieve a high power density is a high electrical fill factor.
Dabei ist es für eine fehlerfreie Funktion der Elektromaschine notwendig, dass die Leiter gegeneinander isoliert sind, also keine elektrische Verbindung untereinander im Wickelkopf eingehen. Weiterhin sollen die Leiter so verlaufen und geformt sein, dass möglichst geringe elektrische Verluste, beispielsweise ohmsche oder induktive Verluste, auftreten.It is necessary for a faultless operation of the electric machine, that the conductors are insulated from each other, so do not enter into electrical connection with each other in the winding head. Furthermore, the conductors should be so shaped and shaped that the lowest possible electrical losses, such as ohmic or inductive losses occur.
Die
Um mit verhältnismäßig einfachen Mitteln eine für hohe Spannungen geeignete Spulenwicklung für Statoren zur Verfügung zu stellen, die minimale Nutquerschnitte ermöglicht, werden die Drähte vor der wellenförmigen Formgebung nur auf denjenigen Abschnitten, aus denen die Wickelköpfe geformt werden, mit einer zusätzlichen Isolierung versehen.To provide with relatively simple means suitable for high voltages coil winding for stators available that allows minimal groove cross-sections, the wires are provided before the wave-shaped shaping only on those sections from which the winding heads are formed with an additional insulation.
Zwischen den Drähten einer Phase, die in derselben Nut liegen, besteht normalerweise keine oder nur eine verhältnismäßig kleine Spannungsdifferenz. Im Wickelkopfbereich kreuzen sich jedoch die Drähte der verschiedenen Phasen, sodass dort eine für die auftretenden Spannungsspitzen ausreichende Drahtisolierung vorhanden sein muss.There is usually no or only a relatively small voltage difference between the wires of a phase lying in the same slot. In the winding head area, however, the wires of the different phases intersect, so that there must be sufficient for the occurring voltage peaks wire insulation.
Dort ist auch genügend Raum für die zusätzliche Isolierung vorhanden, während die Breite der Stator- oder Rotornuten passend zum lediglich mit Isolierlack überzogenen Drahtquerschnitt minimiert werden kann. Die zusätzliche Isolierung besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Folienstreifen, der jeweils um den Draht gewickelt ist. Beispielsweise ist aus der
Weiterhin offenbart die
Im Hinblick auf eine annähernd vollständige Ausfüllung des Nutquerschnittes durch die Spulenwicklung werden Drähte mit rechteckigem Querschnitt bevorzugt.In view of an approximately complete filling of the groove cross-section through the coil winding, wires with a rectangular cross-section are preferred.
Die Isolierung besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Folienstreifen, der um den Draht gewickelt wird. Geeignet ist beispielsweise Kapton®-Folie von der Firma Dupont.The insulation preferably consists of an electrically insulating film strip which is wound around the wire. For example, Kapton® film from Dupont is suitable.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass ein hoher Kupferfüllfaktor bei kleinen Wickelköpfen und zugleich reduzierter Menge des Isolationsmateriales erreicht wird, ohne jedoch die so erreichbaren elektrischen Isoliereigenschaften zu beeinträchtigen.Against this background, the invention has the object to perform an electrical machine of the type mentioned in such a way that a high Kupferfüllfaktor is achieved with small winding heads and at the same time reduced amount of the insulating material, but without affecting the achievable electrical insulation properties.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer elektrischen Maschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with an electric machine according to the features of claim 1. The subclaims relate to particularly expedient developments of the invention.
Erfindungsgemäß ist also eine elektrische Maschine vorgesehen, bei welcher der Isoliermaterialstreifen eine die Grundseite unterbrechende Ausnehmung aufweist. Erfindungsgemäß sind die an sich bekannten Isoliermaterialstreifen geometrisch so angepasst, dass diese ein Optimum aus hinreichender elektrischer Isolation und minimalem Materialaufwand aufweisen. Hierbei ergibt sich durch die Ausnehmung oder Aussparung in der Grundseite des trapezförmigen Isoliermaterialstreifens eine V-förmige Geometrie des Isoliermaterialstreifens, sodass die Wickeldrähte in optimaler Weise elektrisch gegeneinander isoliert sind und zugleich der hierfür erforderliche Materialeinsatz des Isoliermateriales minimiert wird. Insbesondere werden also nur diejenigen Bereiche elektrisch isoliert, an denen diese Isolation notwendig ist. Hierdurch weist der Wickelkopf in radialer Richtung der elektrischen Maschine im Vergleich zu dem Stand der Technik geringere Abmessungen auf, ist also dünner, sodass die Montage erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht wird. Hierdurch werden insbesondere auch die hohen Anforderungen von elektrischen Maschinen für den Einsatz als Antriebsmaschine bei Kraftfahrzeugen erfüllt, bei denen eine hohe Leistungsdichte bei möglichst kleinen Wickelköpfen und einem hohen Kupferfüllfaktor erwünscht ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Vermeidung unnötiger Überlappungen benachbarter Isoliermaterialstreifen eine damit einhergehende Erhöhung der Gesamtdicke der Isoliermaterialstreifen ausgeschlossen ist, sodass eine wesentliche Reduzierung der Gesamtabmessungen im Bereich der Wickelköpfe erreicht wird, ohne die elektrische Isolierwirkung der Isoliermaterialstreifen zu verändern.According to the invention, therefore, an electric machine is provided in which the strip of insulating material has a recess interrupting the base side. According to the known per se Isoliermaterialstreifen are geometrically adjusted so that they have an optimum of sufficient electrical insulation and minimal cost of materials. This results from the recess or recess in the base side of the trapezoidal Isoliermaterialstreifens a V-shaped geometry of the strip of insulating material, so that the winding wires are optimally insulated against each other in an optimal manner and at the same time the required material use of the insulating material is minimized. In particular, only those will be Electrically isolated areas where this isolation is necessary. As a result, the winding head in the radial direction of the electric machine in comparison to the prior art smaller dimensions, is therefore thinner, so that the assembly easier or even possible. As a result, in particular, the high requirements of electrical machines for use as a prime mover in motor vehicles are met, in which a high power density is desired with the smallest possible end windings and a high copper fill factor. The invention is based on the finding that by avoiding unnecessary overlaps of adjacent strips of insulating material, a concomitant increase in the total thickness of the strip of insulating material is ruled out, so that a substantial reduction of the overall dimensions in the area of the winding heads is achieved without changing the electrical insulating effect of the strips of insulating material.
Dabei erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn die Ausnehmung durch jeweils einen Schenkel des Isoliermaterialstreifens mit insbesondere parallelen Seitenlinien begrenzt ist, wobei die Breite der Schenkel quer zu ihrer Haupterstreckung konstant gehalten ist. Diese Breite kann zudem in einfacher Weise an den Durchmesser des Wickeldrahtes angepasst werden.It proves to be particularly practical if the recess is bounded in each case by a leg of the strip of insulating material with in particular parallel side lines, wherein the width of the legs is kept constant transversely to its main extension. This width can also be easily adapted to the diameter of the winding wire.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schenkel spiegelsymmetrisch oder die Ausnehmung symmetrisch zu einer senkrechten, insbesondere die Grundseite halbierenden Achse auf der Grundseite ausgeführt ist, sodass die Anordnung des Isoliermaterialstreifens durch den Entfall einer bestimmten Orientierung bei der Montage vereinfacht werden kann. Die V-förmige Gestaltung wird dabei durch zwei Schenkel übereinstimmender Abmessungen erreicht. Dabei sind die Schenkel nicht auf eine rechteckige Grundform beschränkt. Vielmehr können diese im Bereich der Grundseite einen als eine Abwinkelung oder Abbiegung ausgeführten Abschnitt der Seitenlinie aufweisen.Furthermore, it is particularly advantageous if the legs are mirror-symmetrical or the recess is symmetrical to a vertical, in particular the base side halved axis on the base, so that the arrangement of the strip of insulating material can be simplified by the elimination of a particular orientation during assembly. The V-shaped design is achieved by two legs of matching dimensions. The legs are not limited to a rectangular basic shape. Rather, these may have in the region of the base side a section of the side line which is designed as a bend or a bend.
Der Isoliermaterialstreifen könnte allein durch die Klemmwirkung benachbarter Drahtabschnitte in der gewünschten Position kraftschlüssig fixiert werden. Besonders Erfolg versprechend ist es hingegen, wenn der Isoliermaterialstreifen eine Adhäsionshaftschicht aufweist, um so eine vorbestimmte Positionierung im Fertigungsprozess sicherzustellen und das Isolationselement in Folgeprozessen an der gleichen Stelle zu belassen. Die Adhäsionshaftschicht ist hierzu selbstklebend ausgeführt.The Isoliermaterialstreifen could be fixed non-positively by the clamping action of adjacent wire sections in the desired position. On the other hand, it is particularly promising if the strip of insulating material has an adhesive adhesion layer so as to ensure a predetermined positioning in the production process and to leave the insulating element in the same position in subsequent processes. The adhesive adhesion layer is designed to be self-adhesive.
Die Adhäsionshaftschicht kann separat als Flüssigkeit oder als Materialstrang aufgebracht werden. Besonders sinnvoll ist es hingegen, wenn die Adhäsionshaftschicht des Isoliermaterialstreifens eine vor dem Aufbringen auf den jeweiligen Drahtabschnitt zu entfernende Schutzschicht aufweist, sodass die Adhäsionshaftschicht als ein Bestandteil des Isoliermaterialstreifens ausgeführt sein kann.The adhesive adhesion layer can be applied separately as a liquid or as a material strand. On the other hand, it is particularly useful if the adhesive adhesion layer of the strip of insulating material has a protective layer to be removed before application to the respective wire section, so that the adhesion-bonding layer can be embodied as a component of the strip of insulating material.
Der Isoliermaterialstreifen könnte aus einem elektrischen Isolationsmaterial bestehen. Besonders sinnvoll ist es hingegen, wenn der Isoliermaterialstreifen ein insbesondere als eine Folie ausgeführtes Trägermaterial sowie eine mit dem Trägermaterial verbundene Isolierschicht aufweist, welches zudem problemlos auf einer Haspel als Bandmaterial bereitgestellt und aus dieser durch Stanzen separiert werden kann.The Isoliermaterialstreifen could consist of an electrical insulation material. On the other hand, it is particularly expedient if the strip of insulating material has a carrier material designed in particular as a film and an insulating layer connected to the carrier material, which can also be provided on a reel as strip material and separated therefrom by punching.
Hierzu eignet sich bevorzugt ein Aramidpapier als elektrische Isolierschicht sowie ein silikonbeschichtetes Papier als Trägermaterial, die durch eine Adhäsionsschicht, insbesondere einen Acrylatkleber verbunden sind. Dadurch lässt sich neben einer problemlosen Verarbeitung auch eine hohe Isolierwirkung erreichen.For this purpose, preferably an aramid paper as an electrical insulating layer and a silicone-coated paper as a carrier material, which are connected by an adhesion layer, in particular an acrylate adhesive. This can be achieved in addition to a smooth processing and a high insulation.
Die elektrische Maschine kann eine an die jeweiligen Einsatzzwecke angepasste Wicklung aufweisen. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn die Wicklung eine Wellenwicklung ist und sich dadurch in besonderer Weise auch als ein elektrischer Hilfs- und/oder Traktionsantrieb eines Hybridfahrzeuges oder eines Elektrofahrzeuges eignet.The electric machine may have a winding adapted to the respective purposes. On the other hand, it is particularly practical if the winding is a wave winding and is therefore particularly suitable as an electric auxiliary and / or traction drive of a hybrid vehicle or of an electric vehicle.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
-
1 eine Darstellung eines Wickelkopfes einer aus einem Wickeldraht hergestellten Wicklung mit einem Isoliermaterialstreifen; -
2 einen Isoliermaterialstreifen in einer Draufsicht; -
3 den in2 dargestellten Isoliermaterialstreifen in einer geschnittenen Darstellung.
-
1 an illustration of a winding head of a winding made of a winding wire with a Isoliermaterialstreifen; -
2 an insulating material strip in a plan view; -
3 the in2 illustrated Isoliermaterialstreifen in a sectional view.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine wird nachstehend anhand der
Die Wicklung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Wickeldrahtwinding wire
- 33
- Wicklungwinding
- 44
- Wickelkopfwinding
- 55
- Drahtabschnitt wire section
- 66
- IsoliermaterialstreifenIsoliermaterialstreifen
- 77
- Basisseitebase side
- 88th
- Grundseitebase side
- 99
- Ausnehmungrecess
- 1010
- Schenkel leg
- 1111
- Seitenliniesidelines
- 1212
- AdhäsionshaftschichtAdhäsionshaftschicht
- 1313
- Schutzschichtprotective layer
- 1414
- Isoliermaterial insulating material
- D1, D2D1, D2
- Materialstärkematerial thickness
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 4588916 A [0007]US 4588916 A [0007]
- GB 2288920 A [0008]GB 2288920A [0008]
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