DE102021203565A1

DE102021203565A1 - Nutisolation für elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE102021203565A1
Application number: DE102021203565.5A
Authority: DE
Inventors: Fabian Lange; Christian Bonk; Deniz Yilkiran
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-10-13
Also published as: WO2022218669A1

Abstract

Nutisolation (1) für elektrische Maschinen, wobei die Nutisolation (1) auf einer ersten Seite (1.1) eine erste Schicht (2) und auf einer zweiten Seite (1.2) eine zweite Schicht (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (2) durch thermische Aktivierung expandierbar und die zweite Schicht (3) durch thermische Aktivierung fügbar, insbesondere stoffschlüssig fügbar, ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Nutisolation für elektrische Maschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE2841313 A1 ist schon eine Nutisolation für elektrische Maschinen bekannt, die auf einer ersten Seite eine erste Schicht und auf einer zweiten Seite eine zweite Schicht aufweist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Nutisolation mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass mit ihr eine bessere Kühlung der elektrischen Maschine erreichbar ist, indem die Nutisolation die elektrischen Leiter der jeweiligen Statornut gegen die Wandungen der jeweiligen Statornut verspannt und indem die Nutisolation mit den Wandungen der Statornut eine Fügeverbindung eingeht. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem die erste Schicht der Nutisolation durch thermische Aktivierung expandierbar und die zweite Schicht der Nutisolation durch thermische Aktivierung fügbar, insbesondere stoffschlüssig fügbar ist. Auf diese Weise kann das Füllen der Statornut mit Imprägnierharz zum Ausfüllen der Hohlräume in der Statornut entfallen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Nutisolation möglich.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die erste Schicht ein Basismaterial aufweist, in dem expandierbare Füllstoffe, insbesondere Fasern, Partikel oder Mikrokapseln, vorgesehen sind. Auf diese Weise kommt es nach der thermischen Aktivierung zu einer räumlichen Ausdehnung der ersten Schicht, so dass bei einer Anwendung der Nutisolation in einem Stator eine Verspannung der elektrischen Leiter der jeweiligen Statornut gegen die Wandungen der jeweiligen Statornut erzielt werden kann. Dadurch kann mit der erfindungsgemäßen Nutisolation ein guter Wärmeübergang zwischen den elektrischen Leitern und einem Statorkörper des Stators erreicht werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die zweite Schicht ein verflüssigbares Material zum adhäsiven bzw. klebenden Fügen umfasst, insbesondere ein Harz oder Backlack. Auf diese Weise entsteht nach der thermischen Aktivierung eine Fügeverbindung zwischen der Nutisolation und den Wandungen der Statornut, was die Wärmeübertragung weiter verbessert. Außerdem kann das verflüssigte Material der zweiten Schicht auch in die Spalte zwischen den Blechlamellen des Stators eindringen und dort verfestigen, so dass zusätzlich ein Auffächern der Blechlamellen des Stators verhindert wird.
Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die erste Schicht und/oder die zweite Schicht jeweils eine Schichtdicke aufweisen, die im Bereich zwischen 20 und 80 Mikrometern liegt.
Auch vorteilhaft ist, wenn die Nutisolation einen papier-, folien- oder schichtförmigen Kern umfasst, insbesondere aus einem Isolationspapier, einem Mehrschichtlaminat oder einer Polyesterfolie. Der Kern kann als Träger oder Substrat weiterhin beispielsweise einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein. Auf diese Weise bildet der Kern der Nutisolation ein Trägerelement für die erste und zweite Schicht. Der Kern dient insbesondere dem Schutz vor einem elektrischen Durchschlag.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn die erste Schicht und/oder die zweite Schicht jeweils eine auf den Kern aufgebrachte Beschichtung oder Laminierschicht ist. Auf diese Weise lässt sich die Nutisolation besonders einfach und kostengünstig herstellen. Außerdem wird auf diese Weise eine gute Haftung der ersten und zweiten Schicht auf dem Kern erreicht.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stator einer elektrischen Maschine mit einem Statorkörper, der eine Vielzahl von Blechlamellen aufweist und an dem Statornuten ausgebildet sind, in denen jeweils eine erfindungsgemäße Nutisolation eingelegt ist, um die in der jeweiligen Statornut liegenden elektrischen Leiter gegenüber dem Statorkörper elektrisch zu isolieren. Zusätzlich schützt die Nutisolation die elektrischen Leiter vor mechanischer Beschädigung.
Desweiteren vorteilhaft ist, wenn die Nutisolation derart in die Statornut eingelegt ist, dass die zweite Schicht der Nutisolation dem Stator zugewandt ist. Auf diese Weise wird eine Fügeverbindung zwischen der Nutisolation und den Wandungen der jeweiligen Statornut hergestellt.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn die Nutisolation durch die zweite Schicht mit dem Statorkörper stoffschlüssig verbunden ist und/oder dass das Material der zweiten Schicht zur stoffschlüssigen Verbindung von Blechlamellen des Statorkörpers teilweise in Spalte zwischen den Blechlamellen eingedrungen ist. Durch die stoffschlüssige Verbindung von Blechlamellen des Statorkörpers kann ein Auffächern von Blechlamellen verringert oder verhindert werden.
Vorteilhaft ist, wenn die erste Schicht der Nutisolation derart expandiert ist, dass die elektrischen Leiter der jeweiligen Statornut in der Statornut mechanisch verspannt oder verklemmt sind und/oder dass Spalte oder Hohlräume in der Statornut verringert bzw. verkleinert oder vollständig geschlossen werden. Auf diese Weise wird die Wärmeübertragung zwischen den elektrischen Leitern und dem Statorkörper des Stators und somit die Kühlung der elektrischen Leiter verbessert.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Statorkörpers mit Statornuten,
b) Bereitstellen von mehreren Nutisolationen nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
c) Bereitstellen von elektrischen Leitern zur Herstellung einer Statorwicklung,
d) Einlegen jeweils einer Nutisolation in die Statornuten des Statorkörpers,
e) Einlegen der elektrischen Leiter in die zugeordneten und mit Nutisolation ausgekleideten Statornuten,
f) Erwärmen des Stators zum Aktivieren der beiden Schichten der Nutisolationen, wobei der Werkstoff der zweiten Schicht durch das Expandieren der ersten Schicht in die Spalte zwischen den Blechlamellen gedrückt wird und/oder wobei die elektrischen Leiter der jeweiligen Statornut durch das Expandieren der ersten Schicht in der jeweiligen Statornut mechanisch verspannt werden,
g) Abkühlen des Stators zum Verfestigen der ersten und zweiten Schicht der Nutisolationen und/oder zum Erzeugen der finalen Werkstoffeigenschaften der ersten und zweiten Schicht der Nutisolationen.

Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Nutisolation in einem Stator einer elektrischen Maschine zum Zeitpunkt vor einer thermischen Aktivierung der erfindungsgemäßen Schichten der Nutisolation,
2 die Nutisolation nach 1 in ihrer axialen Längserstreckung im Stator und
3 im Schnitt die Nutisolation nach 1 nach einer thermischen Aktivierung der erfindungsgemäßen Schichten der Nutisolation.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt im Schnitt eine Teilansicht eines Stators mit einer erfindungsgemäßen Nutisolation zum Zeitpunkt vor einer thermischen Aktivierung der erfindungsgemäßen Schichten der Nutisolation. 2 zeigt die Nutisolation nach 1 in ihrer axialen Längserstreckung im Stator.
Die Nutisolation 1 für elektrische Maschinen weist auf einer ersten Seite 1.1 eine erste Schicht 2 und auf einer zweiten Seite 1.2 eine zweite Schicht 3 auf.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste Schicht 2 der Nutisolation 1 durch thermische Aktivierung expandierbar und die zweite Schicht 3 durch thermische Aktivierung fügbar, beispielsweise stoffschlüssig fügbar, ist.
Die erste Schicht 2 umfasst ein Basismaterial, in dem expandierbare Füllstoffe, insbesondere Fasern, Partikel oder Mikrokapseln, vorliegen oder eingebettet sind, beispielsweise in gleichmäßiger Verteilung.
Die zweite Schicht 3 umfasst ein verflüssigbares Material zum adhäsiven bzw. klebenden Fügen, beispielsweise ein Harz oder Backlack.
Die thermische Aktivierung der zwei Schichten 2,3 wird durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb einer Aktivierungstemperatur erreicht.
Die erste Schicht 2 und/oder die zweite Schicht 3 kann beispielsweise jeweils eine Schichtdicke d aufweisen, die im Bereich zwischen 20 und 80 Mikrometern liegt.
Die Nutisolation 1 umfasst einen papierförmigen, folienförmigen, flachbandförmigen, streifenförmigen oder schichtförmigen Kern 4, der einschichtig oder mehrschichtig ausgeführt und aus einem herkömmlichen Material für Nutisolationen, beispielsweise aus einem Isolationspapier oder einer Polyesterfolie, insbesondere einer Polyethylenterephthalat-Polyesterfolie, hergestellt sein kann. Auf oder an diesem Kern 4 der Nutisolation 1 sind die erfindungsgemäßen zwei Schichten 2,3 vorgesehen.
Darüber hinaus kann die erste Schicht 2 und/oder die zweite Schicht 3 jeweils eine auf den Kern 4 aufgebrachte Beschichtung oder Laminierschicht sein.
Die Nutisolation 1 kann in einem Stator 6 einer elektrischen Maschine angewendet werden. Der Stator 6 weist einen Statorkörper 7 auf, an dem Statornuten 8 ausgebildet sind, in denen jeweils die erfindungsgemäße Nutisolation 1 und jeweils von der Nutisolation 1 umschlossene elektrische Leiter 9 zur Bildung einer Statorwicklung vorgesehen sind. Der Statorkörper 7 ist beispielsweise ein Blechpaket umfassend eine Vielzahl von Blechlamellen 10.
Die Nutisolation 1 ist jeweils derart in die Statornut 8 eingelegt, dass die zweite Schicht 3 der Nutisolation 1 dem Stator 6 zugewandt ist.
3 zeigt im Schnitt die Nutisolation nach 1 nach einer thermischen Aktivierung der erfindungsgemäßen Schichten der Nutisolation.
Nach der thermischen Aktivierung der Schichten 2,3 der Nutisolation 1 ist die Nutisolation 1 über die zweite Schicht 3 mit dem Statorkörper 7 stoffschlüssig verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann das Material der zweiten Schicht 3 nach der thermischen Aktivierung teilweise in Spalte zwischen den Blechlamellen 10 eingedrungen sein, um Blechlamellen 10 des Statorkörpers 7 in einem Fügebereich 11 des jeweiligen Spaltes stoffschlüssig miteinander zu verbinden.
Die erste Schicht 2 der Nutisolation 1 kann, wie aus einem Vergleich der 1 mit der 3 ersichtlich, beispielsweise derart expandieren, dass die elektrischen Leiter 9 der jeweiligen Statornut 8 in der Statornut 8 mechanisch verspannt oder verklemmt sind und/oder dass Spalte oder Hohlräume in der Statornut 8 verringert bzw. verkleinert oder vollständig geschlossen werden.
Zur Herstellung des Stators 6 der elektrischen Maschine werden die nachfolgenden Schritte duchgeführt:

In einem ersten Schritt werden der Statorkörper 7 mit Statornuten 8, die erfindungsgemäßen Nutisolationen 1 und die elektrischen Leiter 9 zur Herstellung einer elektrischen Statorwicklung bereitgestellt.
In einem zweiten Schritt werden zunächst die erfindungsgemäßen Nutisolationen 1 in die Statornuten 8 eingelegt.

In einem dritten Schritt werden dann die elektrischen Leiter 9 nach einem Wicklungsschema in die Statornuten 8 eingelegt. Für den Fall, dass die Statorwicklung eine sogenannte Steckwicklung ist, deren elektrische Leiter 9 Leiterelemente mit rechteckförmigem Leiterquerschnitt sind, beispielsweise Hairpins, U-Pins oder I-Pins, werden im dritten Schritt zusätzlich die Fügeverbindungen zwischen den Leiterelementen hergestellt.
In einem vierten Schritt werden die Schichten 2,3 der Nutisolationen 1 durch Erwärmen der Nutisolationen 1 auf eine Temperatur größer gleich einer Aktivierungstemperatur thermisch aktiviert, beispielsweise durch Erwärmen des Stators 6. Die Aktivierungstemperatur liegt beispielsweise oberhalb einer maximalen Betriebstemperatur der elektrischen Maschine. Durch die Aktivierung der ersten Schicht 2 der jeweiligen Nutisolation 1 wird der Werkstoff der zweiten Schicht 3 derselben Nutisolation 1 durch das Expandieren der ersten Schicht 2 in die Spalte zwischen den Blechlamellen 10 gedrückt. Zusätzlich oder alternativ werden die elektrischen Leiter 9 der jeweiligen Statornut 8 durch das Expandieren der ersten Schicht 2 in der jeweiligen Statornut 8 mechanisch verspannt.
In einem fünften Schritt wird der Stator 6 abgekühlt, um die Schichten 2,3 zu verfestigen und/oder um die finalen Werkstoffeigenschaften der Schichten 2,3 zu erzeugen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2841313 A1 [0002]

Claims

Nutisolation (1) für elektrische Maschinen, wobei die Nutisolation (1) auf einer ersten Seite (1.1) eine erste Schicht (2) und auf einer zweiten Seite (1.2) eine zweite Schicht (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (2) durch thermische Aktivierung expandierbar und die zweite Schicht (3) durch thermische Aktivierung fügbar, insbesondere stoffschlüssig fügbar, ist.
Nutisolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (2) ein Basismaterial aufweist, in dem expandierbare Füllstoffe, insbesondere Fasern, Partikel oder Mikrokapseln, vorgesehen sind.
Nutisolation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (3) ein verflüssigbares Material zum adhäsiven bzw. klebenden Fügen umfasst, insbesondere ein Harz oder Backlack.
Nutisolation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht und/oder die zweite Schicht jeweils eine Schichtdicke aufweist, die im Bereich zwischen 20 und 80 Mikrometern liegt.
Nutisolation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutisolation (1) einen papier-, folien- oder schichtförmigen Kern (4) umfasst, insbesondere aus einem Isolationspapier oder einer Polyesterfolie.
Nutisolation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (2) und/oder die zweite Schicht (3) jeweils eine auf den Kern (4) aufgebrachte Beschichtung oder Laminierschicht ist.
Stator (6) einer elektrischen Maschine mit einem Statorkörper (7), an dem Statornuten (8) ausgebildet sind, in denen jeweils elektrische Leiter (9) zur Bildung einer Statorwicklung und eine Nutisolation (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.
Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutisolation (1) derart in die jeweilige Statornut (8) eingelegt ist, dass die zweite Schicht (3) der Nutisolation (1) dem Stator (6) zugewandt ist.
Stator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutisolation (1) durch die zweite Schicht (3) mit dem Statorkörper (7) stoffschlüssig verbunden ist und/oder dass das Material der zweiten Schicht (3) zur stoffschlüssigen Verbindung von Blechlamellen (10) des Statorkörpers (7) teilweise in Spalte zwischen den Blechlamellen (10) eingedrungen ist.
Stator nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (2) der Nutisolation (1) derart expandiert ist, dass die elektrischen Leiter (9) der jeweiligen Statornut (8) in der Statornut (8) mechanisch verspannt oder verklemmt sind und/oder dass Spalte oder Hohlräume in der Statornut (8) verringert bzw. verkleinert oder vollständig geschlossen werden.
Verfahren zur Herstellung eines Stators (6) einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte a. Bereitstellen eines Statorkörpers (7) mit Statornuten (8), b. Bereitstellen von Nutisolationen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, c. Bereitstellen von elektrischen Leitern (9) zur Herstellung einer Statorwicklung, d. Einlegen jeweils einer Nutisolation (1) in die Statornuten (8) des Statorkörpers (7), e. Einlegen der elektrischen Leiter (9) in die zugeordneten und mit Nutisolation (1) ausgekleideten Statornuten (8), f. Erwärmen des Stators (6) zum Aktivieren der beiden Schichten (2,3) der Nutisolationen (1), wobei der Werkstoff der zweiten Schicht (3) durch das Expandieren der ersten Schicht (2) in die Spalte zwischen den Blechlamellen (10) gedrückt wird und/oder wobei die elektrischen Leiter (9) der jeweiligen Statornut (8) durch das Expandieren der ersten Schicht (2) in der jeweiligen Statornut (8) mechanisch verspannt werden, g. Abkühlen des Stators (6) zum Verfestigen der ersten und zweiten Schicht (2,3) der Nutisolationen (1) und/oder zum Erzeugen der finalen Werkstoffeigenschaften der ersten und zweiten Schicht (2,3) der Nutisolationen (1).