DE102021103062A1

DE102021103062A1 - Stator

Info

Publication number: DE102021103062A1
Application number: DE102021103062.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hubert; Stefan Schmidt; Jörg Schneider
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-02-10
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2022-08-11
Also published as: KR20220115515A; KR102663063B1; JP2022122831A; CN114915072A; GB2606616A; US20220255387A1; US11901786B2

Abstract

Es ist ein Stator (10) für eine zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehene elektrische Maschine vorgesehen mit einem Statornuten (14) ausbildenden Statorkörper (12), einer in die jeweilige Statornut (14) eingreifenden und axial aus der Statornut (14) herausstehenden stromdurchfließbaren Statorwicklung (18) zur Ausbildung eines elektromagnetischen Drehfelds und einem zwischen der Statorwicklung (18) und dem Statorkörper (12) in der Statornut (14) vorgesehenen Isolationspapier (20) zur elektrischen Isolierung der Statorwicklung (18) gegenüber dem Statorkörper (12), wobei das Isolationspapier (20) aus der Statornut (14) heraussteht, wobei das Isolationspapier (20) an seiner Oberfläche mit einer Zusatzlage (26) zur Bereitstellung einer im Vergleich zu der Oberfläche des Isolationspapiers (20) ohne Zusatzlage (26) höheren Kriechstromfestigkeit versehen ist. Durch die zu einer höheren Kriechstromfestigkeit führenden Zusatzlage (26) kann die axiale Erstreckung des Isolationspapiers (20) sowie des Stators (10) reduziert werden, so dass eine bauraumsparende und sichere elektrische Maschine ermöglicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator, mit dessen Hilfe eine zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen elektrischen Maschine zusammengesetzt werden kann.
Aus DE 10 2017 214 195 A1 ist es bekannt eine Statornut eines Stators für eine elektrische Maschine mit einem Isolationspapier auszukleiden, um in der Statornut eingebrachte Wicklungen elektrisch zu isolieren, wobei das Isolationspapier in axialer Richtung aus der Statornut heraussteht.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis den Bauraum für elektrische Maschinen zu reduzieren ohne die elektrische Sicherheit zu beeinträchtigen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine bauraumsparende und sichere elektrische Maschine ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Stator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Stator für eine zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehene elektrische Maschine, mit einem Statornuten ausbildenden Statorkörper, einer in die jeweilige Statornut eingreifenden und axial aus der Statornut herausstehenden stromdurchfließbaren Statorwicklung zur Ausbildung eines elektromagnetischen Drehfelds und einem zwischen der Statorwicklung und dem Statorkörper in der Statornut vorgesehenen Isolationspapier zur elektrischen Isolierung der Statorwicklung gegenüber dem Statorkörper, wobei das Isolationspapier aus der Statornut heraussteht, wobei das Isolationspapier an seiner Oberfläche mit einer Zusatzlage zur Bereitstellung einer im Vergleich zu der Oberfläche des Isolationspapiers ohne Zusatzlage höheren Kriechstromfestigkeit versehen ist.
Der insbesondere als Blechpaket ausgebildete Statorkörper kann in radialer Richtung abstehende, vorzugsweise rippenförmige, Zähne aufweisen, zwischen denen die jeweilige Statornut ausgebildet ist. Wenn der Stator für eine als Innenläufer ausgestaltete elektrische Maschine vorgesehen ist, stehen die Zähne radial nach innen ab, während die Statornuten radial nach innen geöffnet sein können. Wenn der Stator für eine als Außenläufer ausgestaltete elektrische Maschine vorgesehen ist, stehen die Zähne radial nach außen ab, während die Statornuten radial nach außen geöffnet sein können. Die aus elektrischen Leitern, insbesondere Lackdraht, zusammengesetzten Statorwicklungen können in axialer Richtung durch die jeweiligen Statornuten geführt sein, wobei die Statorwicklungen an einer axialen Seite oder an beiden axialen Seiten aus der jeweiligen Statornut axial herausgeführt sein können. Das in der Statornut vorgesehene Isolationspapier stellt bei den zu erwartenden elektrischen Randbedingungen eine ausreichende Durchschlagfestigkeit gegen einen Spannungsdurchschlag zwischen der Statorwicklung und dem Statorkörper bereit.
Bei einer zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen elektrische Maschine, tritt das Isolationspapier zusammen mit den Statorwicklungen in axialer Richtung aus der jeweiligen Statornut in aller Regel etwas heraus. Dies macht es erforderlich das Isolationspapier nicht nur hinsichtlich seiner Durchschlagfestigkeit, sondern auch hinsichtlich seiner axialen Erstreckung außerhalb der Statornut zur Vermeidung von Kriechströmen auszulegen. Es wurde erkannt, dass insbesondere bei rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen eine deutlich höhere Leistungsdichte zu höheren Strömen und/oder Spannungen in der elektrischen Maschine führt, was die Auslegung der axialen Erstreckung des Isolationspapiers außerhalb der Statornut zu einem den axialen Bauraum bestimmenden Auslegungsfaktor machen kann. Durch die Zusatzlage kann der elektrische Widerstand gegen einen Kriechstrom an der durch die Zusatzlage ausgebildete Oberflächen des Isolationspapiers deutlich höher sein als an einer Oberfläche des Isolationspapiers, wenn in diesem Bereich die Zusatzlage nicht vorgesehen ist. Durch die Zusatzlage kann die Materialeigenschaft des Isolationspapiers bezüglich der Kriechstromfestigkeit verbessert werden, wodurch die axiale Erstreckung des Isolationspapiers außerhalb der Statornut entsprechend reduziert und/oder die Sicherheit gegen das Auftreten von Kriechströmen bei gleichbleibenden Abmessungen erhöht werden kann. Der axiale Bauraumbedarf des Stators sowie der für die Statorwicklungen erforderliche Materialeinsatz können durch eine Reduktion der axialen Erstreckung des Nutpapiers ebenfalls reduziert werden. Dies kann zu reduzierten Herstellungskosten führen. Durch die zu einer höheren Kriechstromfestigkeit führenden Zusatzlage kann die axiale Erstreckung des Isolationspapiers sowie des Stators reduziert werden, so dass eine bauraumsparende und sichere elektrische Maschine ermöglicht ist.
Insbesondere weist das Isolationspapier durch die Zusatzlage außerhalb der Statornut eine höhere Kriechstromfestigkeit als innerhalb der Statornut auf. Grundsätzlich ist es möglich an einer zum Statorkörper weisenden Außenseite und einer zur Statorwicklung weisenden Innenseite des Isolationspapiers über die gesamte axiale Erstreckung des Isolationspapiers die Zusatzlage vorzusehen, so dass ein Großteil der Oberfläche oder sogar die gesamte Oberfläche des Isolationspapiers durch die Zusatzlage ausgebildet ist. Es wurde jedoch erkannt, dass der kritische Pfad für einen eventuell auftretenden Kriechstrom im Übergangsbereich von Wicklung, Isolationspapier und Statorblechpaket liegt. Der Kriechstrom bildet sich somit bevorzugt von dem nicht von Isolationspapier umschlossenen Teil der Wicklung über die Oberseite des Isolationspapiers zur Statorstirnseite aus. Es ist daher bereits ausreichend, wenn lediglich außerhalb der Statornut das Isolationspapier die durch die Zusatzlage erreichte erhöhte Kriechstromfestigkeit aufweist. Der Materialeinsatz für die Zusatzlage sowie der Bauraumbedarf des Isolationspapiers innerhalb der Statornut kann minimal gehalten werden.
In einer Ausführungsform ist die Zusatzlage nur außerhalb der Statornut vorgesehen. Die Zusatzlage ist dadurch nur auf demjenigen Teil der axialen Erstreckung des Isolationspapiers aufgebracht, der außerhalb der Statornut liegt. Der Materialeinsatz für die Zusatzlage sowie der Bauraumbedarf des Isolationspapiers innerhalb der Statornut können dadurch geringgehalten werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zusatzlage nur an einer von der Statorwicklung wegweisenden Außenseite des Isolationspapier oder nur sowohl an einer von der Statorwicklung weg weisenden Außenseite als auch an einer von dem Statorkörper weg weisenden Stirnseite des Isolationspapiers vorgesehen ist. Die Zusatzlage ist dadurch im Wesentlichen nur in denjenigen Flächen des Isolationspapiers vorgesehen, in denen ein Kriechstrom am ehesten zu erwarten wäre.
Insbesondere gehört die Zusatzlage zumindest der Isolierstoffgruppe IIIa oder der Isolierstoffgruppe II nach IEC 60112 unter Verwendung von Lösung A an. Bei dieser Isolierstoffgruppe ist eine ausreichend hohe Kriechstromfestigkeit gegeben, um den Stator für eine elektrische Maschine zu verwenden, die für einen rein elektrisch angetriebenen Sportwagen verwendet werden soll. Es ist auch möglich, dass die Zusatzlage der Isolierstoffgruppe I nach IEC 60112 unter Verwendung von Lösung A angehört, wobei eine so hohe Kriechstromfestigkeit unter Kostengesichtspunkten möglicherweise nicht erforderlich ist. Bei der Norm IEC 60112 wird die Kriechstromfestigkeit anhand des CTI-Wertes beurteilt, der bei einem Tropfverfahren bestimmt wird. Hierbei wird bei einer in der Norm definierten speziellen Elektrodenanordnung zwischen zwei schrägkantig bearbeiteten Platinelektroden in einem vorgegebenen Zeitraum eine vorgegebene Anzahl von einer vorgegebenen Tropfengröße entsprechenden Tropfen einer vorgegebenen Flüssigkeit („Lösung A“) zwischen den Elektroden auf das zu prüfende Werkstück appliziert. Der CTI-Wert für die Kriechwegbildung, anhand dessen die Einteilung des Werkstücks in die Isolierstoffgruppen erfolgt, ist der ermittelte Zahlenwert der höchsten Prüfspannung in Volt, der das Werkstück unter festgelegten Bedingungen ohne Kriechwegbildung widersteht.
Vorzugsweise weist die Zusatzlage einen CTI-Wert von ≥ 175, insbesondere 175 ≤ CTI ≤ 800 und vorzugsweise 400 ≤ CTI < 600 nach IEC 60112 unter Verwendung von Lösung A auf. Bei einer mit diesem CTI-Wert definierten Kriechstromfestigkeit ist eine ausreichend hohe Kriechstromfestigkeit gegeben, um den Stator für eine elektrische Maschine zu verwenden, die für einen rein elektrisch angetriebenen Sportwagen verwendet werden soll.
Besonders bevorzugt gehört eine Oberfläche des Isolationspapiers ohne Zusatzlage der Isolierstoffgruppe II oder der Isolierstoffgruppe IIIa nach IEC 60112 unter Verwendung von Lösung A an. Das von der Zusatzlage verschiedene Isolationspapier kann hinsichtlich seiner Durchschlagfestigkeit und nicht hinsichtlich seiner Kriechstromfestigkeit ausgewählt sein. Insofern kann aus Kostengründen für die Oberflächen des Isolationspapiers, die nicht durch die Zusatzlage ausgebildet sind, eine entsprechend geringere Kriechstromfestigkeit vorgesehen sein.
Insbesondere ist die Zusatzlage aus einem Kunststoff, insbesondere PE, PTFE, PBT, und/oder einem Harz, insbesondere Epoxidharz, Polyesterharz, hergestellt. Dadurch lässt sich mit einem vergleichsweise kostengünstigen Werkstoff eine ausreichende Kriechstromfestigkeit für die Zusatzlage erreichen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Isolationspapier an der Statorwicklung anliegt und/oder mit der Statorwicklung verklebt ist. Dadurch kann vermieden werden, dass das Isolationspapier von der Statorwicklung abhebt, einreißt und/oder aufgefaltet wird, wodurch die vorgesehene Kriechstromfestigkeit beeinträchtigt werden könnte.
Bevorzugt ist das Isolationspapier an dem Statorkörper angepresst. Das Volumen innerhalb der Statornut kann dadurch zu einem möglichst großen Anteil von der Statorwicklung ausgefüllt werden.
Insbesondere ist die Zusatzlage als Beschichtung auf das Isolationspapier aufgebracht. Dadurch kann der Materialeinsatz für die Zusatzlage und die Herstellungskosten geringgehalten werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:

1: eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Stators.

Der in 1 teilweise dargestellte Stator 10 kann für eine elektrische Maschine eines rein elektrisch angetriebenen Sportwagens verwendet werden. Der Stator 10 weist einen aus einem Blechpaket zusammengesetzten Statorkörper 12 auf, der in einer radialen Richtung und in axialer Richtung geöffnete Statornuten 14 aufweist, in die mehrere elektrische Leiter 16 aufweisende Statorwicklungen 18 eingesteckt sind. Die Statorwicklungen 18 ragen aus der jeweiligen Statornut 14 axial heraus und werden von dort aus zu einer anderen Statornut 14 geführt. Um einen elektrischen Durchschlag zwischen der Statorwicklung 18 und dem Statorkörper 12 zu verhindern ist zwischen der der Statorwicklung 18 und dem Statorkörper 12 ein Isolationspapier 20 vorgesehen, das eine ausreichend hohe Durchschlagfestigkeit aufweist.
Das Isolationspapier 20 ragt in axialer Richtung, insbesondere an der Statorwicklung 18 anliegend, aus der Statornut 14 heraus. Das Isolationspapier 20 weist eine an einer zum Statorkörper 12 weisenden Außenseite 22 und gegebenenfalls an einer vom Statorkörper 12 wegweisenden axialen Stirnseite 24 eine Zusatzlage 26 auf, die im Vergleich zu dem übrigen Isolationspapier 20 eine deutlich höhere Kriechstromfestigkeit. Durch die hohe Kriechstromfestigkeit der Zusatzlage 26 kann ein Kriechstromweg von einer zum Isolationspapier 20 weisenden Oberseite der Statorwicklung 18 über die axiale Stirnseite 24 und die Außenseite 22 der Zusatzlage 26 zu einer Stirnfläche des Statorkörpers 12 verkürzt werden, wodurch die axiale Erstreckung des außerhalb der Statornut 14 vorgesehenen Anteils des Isolationspapiers 20 und damit auch der axiale Bauraumbedarf des Stators 10 verringert werden kann ohne die elektrische Sicherheit zu beeinträchtigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017214195 A1 [0002]

Claims

Stator für eine zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehene elektrische Maschine, mit einem Statornuten (14) ausbildenden Statorkörper (12), einer in die jeweilige Statornut (14) eingreifenden und axial aus der Statornut (14) herausstehenden stromdurchfließbaren Statorwicklung (18) zur Ausbildung eines elektromagnetischen Drehfelds und einem zwischen der Statorwicklung (18) und dem Statorkörper (12) in der Statornut (14) vorgesehenen Isolationspapier (20) zur elektrischen Isolierung der Statorwicklung (18) gegenüber dem Statorkörper (12), wobei das Isolationspapier (20) aus der Statornut (14) heraussteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationspapier (20) an seiner Oberfläche mit einer Zusatzlage (26) zur Bereitstellung einer im Vergleich zu der Oberfläche des Isolationspapiers (20) ohne Zusatzlage (26) höheren Kriechstromfestigkeit versehen ist.
Stator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationspapier (20) durch die Zusatzlage (26) außerhalb der Statornut (14) eine höhere Kriechstromfestigkeit als innerhalb der Statornut (14) aufweist.
Stator nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (26) nur außerhalb der Statornut (14) vorgesehen ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (26) nur an einer von der Statorwicklung (18) wegweisenden Außenseite (22) des Isolationspapier (20) oder nur sowohl an einer von der Statorwicklung (18) weg weisenden Außenseite (22) als auch an einer von dem Statorkörper (12) weg weisenden Stirnseite (24) des Isolationspapiers (20) vorgesehen ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (26) zumindest der Isolierstoffgruppe IIIa oder der Isolierstoffgruppe II nach IEC 60112 unter Verwendung von Lösung A angehört.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (26) einen CTI-Wert von ≥ 175, insbesondere 175 ≤ CTI ≤ 800 und vorzugsweise 400 ≤ CTI < 600 nach IEC 60112 unter Verwendung von Lösung A aufweist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Isolationspapiers (20) ohne Zusatzlage (26) der Isolierstoffgruppe II oder der Isolierstoffgruppe IIIa nach IEC 60112 unter Verwendung von Lösung A angehört.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (26) aus einem Kunststoff, insbesondere PE, PTFE, PBT, und/oder einem Harz, insbesondere Epoxidharz, Polyesterharz, hergestellt ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationspapier (20) an der Statorwicklung (18) anliegt und/oder mit der Statorwicklung (18) verklebt ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationspapier (20) an dem Statorkörper angepresst ist.