DE102018205806A1

DE102018205806A1 - Stator, elektrische Maschine, Luftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine und Verfahren zur Herstellung eines Stators

Info

Publication number: DE102018205806A1
Application number: DE102018205806.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2019-10-17
Also published as: US20210159741A1; WO2019201874A1; CN112189295A

Abstract

Die Erfindung gibt einen Stator (10) für eine elektrische Maschine (16) an, aufweisend einen Statorjochring (1) zur Aufnahme von Statorspulen, gekennzeichnet durch:- mindesten eine Statorspulenträgereinheit (2) zur Aufnahme von Spulenwindungen, die ausgebildet ist, im Ganzen oder mit einem ersten Spulenkörperelement (2a) lösbar auf den Statorjochring (1) in radialer Richtung (R) steckbar zu sein.Eine elektrische Maschine und ein elektrisches bzw. hybridelektrisches Luftfahrzeug werden ebenfalls angegeben. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stators beschrieben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, aufweisend einen Statorjochring zur Aufnahme von Statorspulen. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Maschine mit einem derartigen Stator sowie ein Luftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstelllung eines Stators.
Hintergrund der Erfindung
Bei elektrischen Maschinen, wie zum Beispiel bei elektrischen Motoren wie Asynchronmaschinen oder permanenterregten Synchronmaschinen mit konzentrierten Statorwicklungen, kann im Fall eines Isolationsfehlers (z.B. durch einen Windungsschluss) der beschädigte Spulenkörper aufgrund der Polgeometrie nur mit hohem technischen Aufwand ersetzt werden. Auch besteht beim klassischen Wickelprozess konzentrierter Wicklungen um Einzelpole (d.h. die Leiter einer Spule werden direkt um jeden einzelnen Statorpol gewickelt anstatt wie bei verteilten Wicklungen in die Nut längs eingelegt) die Gefahr, dass die elektrische Isolierung der Spulendrähte verletzt werden kann, da dabei mit einem hohem Kraftaufwand um den zum Teil scharfkantigen Polkörper gewickelt wird.
Vor allem bei Anwendungen in der Luftfahrt sind die Anforderungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit sowie der Verfügbarkeit höher als in der Bahn- oder Automobilbranche.
Das Problem kann bei elektrischen Maschinen mit bekannten, unsegmentierten Statoren nicht zufriedenstellend ohne einen hohen Ausbauaufwand und einem damit verbundenen Beschädigungsrisiko von umliegenden Bauteilen gelöst werden.
Bei Statoren, die sich aus mehreren Einzelpolen zusammensetzen, besteht zwar die Möglichkeit, einen einzelnen Pol zu entfernen. Bei einer klassischen Polgeometrie verhindert der Polschuh jedoch, dass die beschädige Spule einfach abgezogen werden kann. Stattdessen muss diese entweder abgewickelt oder aufgeschnitten werden.
In den Patentschriften US 6975057 B2 und US 7247967 B2 werden derartige Statoren beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, bei der für Wartungszwecke eine defekte Spule eines Stators aufwandsarm von einem Statorpol entfernt und ausgetauscht werden kann.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Stator, der elektrischen Maschine, dem Luftfahrzeug und dem Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird der Statorpol oder werden Teile des Statorpols austauschbar ausgebildet, d.h. diese sind lösbar mit dem Statorjochring verbindbar, wobei aus radialer Richtung (d.h. senkrecht zu der Statorachse) die Statorpole steckbar sind. Eine Luftspule kann somit vor dem Zusammenbau auf den Statorpol geschoben werden.
Die Erfindung beansprucht einen Stator für eine elektrische Maschine, der einen Statorjochring zur Aufnahme von Statorspulen aufweist. Mindesten eine Statorspulenträgereinheit (= Statorpol) zur Aufnahme von Spulenwindungen ist vorgesehen. Die Statorspulenträgereinheit ist im Ganzen oder mit einer Teileinheit (= erstes Spulenkörperelement) lösbar auf den Statorjochring aus radialer Richtung gesteckt.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass einerseits eine Reparatur von Statorpolen einfach möglich ist, andererseits sehr einfach Luftspulen aufgeschoben werden können.
In einer Weiterbildung kann der Stator Luftspulen aufweisen, die vor dem Aufstecken der Statorspulenträgereinheiten oder der Teileinheiten auf den Statorspulenträgereinheiten geschoben werden können. Dies bietet den Vorteil, dass die Möglichkeit einer Verletzung der Isolierung von Spulenwicklungen verringert wird.
In einer weiteren Ausprägung kann der Stator mindestens ein Verbindungselement aufweisen, das die Statorspulenträgereinheit in dem Statorjochring fixiert.
Der Stator kann des Weiteren aufweisen:

- eine durchgängige prismenförmige erste Öffnung oder durchgängige Aussparung in der Statorspulenträgereinheit und
- eine durchgängige prismenförmige zweite Öffnung in dem Statorjochring,
- wobei das Verbindungselement derart prismenförmig ausgebildet ist, durch Einführen in die erste und die zweite Öffnung die Statorspulenträgereinheit in dem Statorjochring zu fixieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine in der Statorspulenträgereinheit ausgebildete Nase vorhanden sein, in der die erste Öffnung oder die Aussparung ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine in dem Statorjochring ausgebildete Nut vorhanden sein, in der die Nase einführbar ist.
Die Erfindung beansprucht auch eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Stator, wobei ein innerhalb des Stators drehbar gelagerter Rotor vorhanden ist.
In einer Weiterbildung kann die elektrische Maschine ein Elektromotor oder ein Generator sein.
Die Erfindung beansprucht auch ein Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine Teil eines elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantriebs ist.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein und der Elektromotor einen Propeller antreiben.
Außerdem beansprucht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stators mit den Schritten:

- Bereitstellen des Statorjochrings,
- Bereitstellen von Statorspulenträgereinheiten,
- Herstellen der Luftspulen,
- Schieben der Luftspulen auf die Statorspelenträgereinheiten,
- Einfügen der Statorspelenträgereinheiten in den Statorjochring und
- Fixieren der Statorspulenträgereinheiten durch Einführen der Verbindungselemente in die ersten und zweiten Öffnungen.

Schließlich beansprucht die Erfindung ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stators mit den Schritten:

- Bereitstellen des Statorjochrings,
- Bereitstellen von Statorspulenträgereinheiten,
- Herstellen der Luftspulen,
- Schieben der Luftspulen auf die mit dem Statorjochring verbundenen Teileinheiten (= zweite Spulenkörperelemente) der Statorspulenträgereinheiten,
- Einfügen der Teileinheiten durch die Luftspulen hindurch in den Statorjochring und
- Fixieren der Teileinheiten durch Einführen der Verbindungselemente in die Aussparungen und zweiten Öffnungen.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen zweier Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:

1 und 2: Querschnitte eines Teils eines Stators,
3 und 4: Schrägansichten eines Teils eines Stators,
5 und 6: Querschnitte eines Statorjochrings mit Statorpolen,
7 und 8: Querschnitte eines Teils eines Stators,
9 und 10: Schrägansichten eines Teils eines Stators,
11: den zeitlichen Ablauf des Zusammenbaus,
12 und 13: Querschnitte eines Statorjochrings mit Statorpolen,
14: ein Blockschaltbild einer elektrischen Maschine und
15: ein Luftfahrzeug mit einem Elektromotor.

Detaillierte Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele
1 bis 6 zeigen Darstellungen einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung. 1 und 2 zeigen jeweils eine Schnittansicht durch eine Statorspulenträgereinheit 2 und einen Teil des Statorjochrings 1. 3 und 4 zeigen eine räumliche Ansicht einer Statorspulenträgereinheit 2 und eines Teils des Statorjochrings 1. 5 zeigt eine Schnittansicht durch einen Statorjochring 1 und 6 zeigt eine Schnittansicht durch einen Statorjochring mit den aufgesteckten Statorspulenträgereinheiten 2 sowie den Luftspulen 4.
Die Statorspulenträgereinheiten 2 (kann auch mit Statorpol bezeichnet werden) sind austauschbar und werden in eine Nut 7 des Statorjochrings 1 aus radialer Richtung R gesteckt und mittels eines prismenförmigen Verbindungselements 3 gegen Herausrutschen fixiert. Dazu besitzt die Statorspulenträgereinheit 2 eine Nase 5 mit einer ersten Öffnung 6.
Ist die Statorspulenträgereinheit 2 in die Nut 7 aus radialer Richtung gesteckt worden, wird das Verbindungselement 3 in die erste Öffnung 6 durch eine zweite Öffnung 8 in dem Statorjochring 1 geschoben, wodurch die Statorspulenträgereinheit 2 fixiert wird und fest mit dem Statorjochring 1 verbunden ist. Das Verbindungselement 4 sowie die erste und die zweite Öffnung 6 und 8 weisen einen dreieckigen Querschnitt auf, damit eine verdrehsichere Verbindung hergestellt werden kann.
Wie in 6 zu erkennen ist, wird vor dem Einbau der Statorspulenträgereinheit 2 eine Luftspule 4 auf diese geschoben. Dann werden alle Statorspulenträgereinheiten 2 samt Luftspulen 4 in den Statorjochring 1 eingesetzt und mit den Verbindungselementen 3 fixiert.
Die wesentlichen Vorteile sind:

- Möglichkeit der Austauschbarkeit defekter Spulenkörper (= Statorspulenträgereinheit 2) im Fall eines Fehlerfalls (z.B. Windungsschluss),
- reduzierter Wartungsaufwand durch erleichterten Zugang zu defekten Spulenkörpern,
- separater Wicklungsprozess in Form einer Luftspule 4 (keine Einzelspulenwicklung direkt am Statorpol notwendig),
- Reduktion der Verletzungsgefahr der elektrischen Isolierung während des Luftspule-Wicklungsprozesses,
- Ermöglichung eines Presssitzes durch einen durchgängigen Statorjochring im Vergleich zu einem Einzelpolstator (keine Toleranzkette / Setzungsvorgänge, welche zu Presssitzverlust führen und womit kein Drehmoment mehr von dem Stator auf das Statorgehäuse übertragen werden kann) und
- erhöhte Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit einer elektrischen Maschine während der Gesamtbetriebsdauer.

Die 7 bis 13 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung. 7 und 8 zeigen jeweils eine Schnittansicht durch eine Statorspulenträgereinheit 2 und einen Teil des Statorjochrings 1. 9 und 10 zeigen eine räumliche Ansicht der Statorspulenträgereinheit 2 und eines Teils des Statorjochrings 1. 11 zeigt in Schnittansichten, wie auf einen Teil des Statorjochrings 1 die Luftspule 4 aufgeschoben und fixiert wird. 12 zeigt eine Schnittansicht durch einen Statorjochring 1 und 13 zeigt eine Schnittansicht durch einen Statorjochring 1 mit den zusammengefügten Statorspulenträgereinheiten 2 sowie den aufgeschobenen Luftspulen 4.
Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist die Statorspulenträgereinheit 2 längs mittig in ein erstes Spulenkörperelement 2a und ein zweites Spulenkörperelement 2b geteilt. Das erste Spulenkörperelement 2a ist austauschbar (d.h. kann entfernt werden), wohingegen das zweite Spulenkörperelement 2b fest mit dem Statorjochring 1 verbunden ist bzw. mit diesem einstückig ausgebildet ist.
Wie aus den Zeichnungen zu erkennen ist, wird das erste Spulenkörperelement 2a in die Nut 7 des Statorjochrings 1 in radialer Richtung R (d.h. senkrecht zu der Statorachse) geschoben. Dazu besitzt das erste Spulenkörperelement 2a eine Nase 5, die in die Nut 7 greift. Die Nase 5 ist mit einer Aussparung 9 ausgestattet, in die das prismenförmige Verbindungselement 3 durch die zweite Öffnung 8 des Statorjochrings 1 hindurch geschoben wird und so den ersten Spulenkörper 2a in der Nut 7 fixiert und flächig gegen das zweite Spulenkörperelement 2b presst. Das Verbindungselement 4 sowie die Aussparung 9 und die zweite Öffnung 8 weisen einen dreieckigen Querschnitt auf, damit eine verdrehsichere Verbindung hergestellt werden kann.
11 zeigt den Zusammenbau sequentiell von links nach rechts. Auf das zweite Spulenkörperelement 2b wird die Luftspule 4 geschoben und anschließend nach links(Richtung L) verschoben. Danach wird das austauschbare erste Spulenkörperelement 2a in den Statorjochring 1 in radialer Richtung R durch die Luftspule 4 hindurch eingesetzt. Abschließend wird das erste Spulenkörperelement 2a mittels des Verbindungselements 3 gesichert.
Vorteilhaft ist, dass die Nutquerkräfte direkt von den Statorspulenträgereinheiten 2 auf den Statorjochring 1 übertragen werden. Außerdem besteht der Stator aus keinen Einzelsegmenten, welche aufgrund der Fehlertoleranzkette und Setzvorgänge keinen ausreichend hohen Presssitz mehr gewährleisten können.
Vorteilhaft bei beiden Ausführungsformen ist u.a. auch, dass Luftspulen 4 verwendet werden können, die mit einer für ihre Drahtisolierung schonenderen und kostengünstigeren Wickelmethode in einem getrennten Arbeitsgang hergestellt werden können.
14 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Maschine, beispielweise eines Elektromotors 16. In einem Gehäuse 11 befindet sich der Stator 10 und darin drehbar gelagert der Rotor 12. Der Stator 10 ist entsprechend den Ausführungen und Zeichnungen der 1 bis 13 ausgebildet.
15 zeigt ein Luftfahrzeug 13, beispielsweise ein Flugzeug, mit einem elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb. Dargestellt ist ein Elektromotor 16, der einen Propeller 14 in Rotation versetzt. Der Elektromotor 16 wird von einem Umrichter 15 mit elektrischer Energie versorgt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Statorjochring
2: Statorspulenträgereinheit
2a: erstes Spulenkörperelement
2b: zweites Spulenkörperelement
3: Verbindungselement
4: Luftspule
5: Nase
6: erste Öffnung
7: Nut
8: zweite Öffnung
9: Aussparung
10: Stator
11: Gehäuse
12: Rotor
13: Luftfahrzeug
14: Propeller
15: Umrichter
16: Elektromotor
L: linke Richtung
R: radiale Richtung

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

US 6975057 B2 [0006]
US 7247967 B2 [0006]

Claims

Stator (10) für eine elektrische Maschine (16), aufweisend einen Statorjochring (1) zur Aufnahme von Statorspulen, gekennzeichnet durch: - mindesten eine Statorspulenträgereinheit (2) zur Aufnahme von Spulenwindungen, die ausgebildet ist, im Ganzen oder mit einem ersten Spulenkörperelement (2a) lösbar auf den Statorjochring (1) in radialer Richtung (R) steckbar zu sein.
Stator (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: - eine Luftspule (4), die ausgebildet ist, auf die Statorspulenträgereinheit (2) vor dem Aufstecken der Statorspulenträgereinheit (2) schiebbar zu sein.
Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch: - ein Verbindungselement (3), das ausgebildet ist, die Statorspulenträgereinheit (2) in dem Statorjochring (1) zu fixieren.
Stator (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch: - eine durchgängige prismenförmige erste Öffnung (6) in der Statorspulenträgereinheit (2) und - eine durchgängige prismenförmige zweite Öffnung (7) in dem Statorjochring (1), - wobei das Verbindungselement (3) derart prismenförmig ausgebildet ist, um durch Einführen in die erste Öffnung (6) und die zweite Öffnung (8) die Statorspulenträgereinheit (2) in dem Statorjochring (1) zu fixieren.
Stator (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch: - eine an der Statorspulenträgereinheit (2) ausgebildete Nase (5), in der die erste Öffnung (6) ausgebildet ist.
Stator (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: - eine Luftspule (4), die ausgebildet ist, auf ein mit dem Statorjochring (1) verbundenes zweites Spulenkörperelement (2b) vor dem Aufstecken des ersten Spulenkörperelements (2a) schiebbar zu sein.
Stator (10) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch: - ein Verbindungselement (3), das ausgebildet ist, das erste Spulenkörperelement (2a) in dem Statorjochring (1) zu fixieren.
Stator (10) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch: - eine durchgängige prismenförmige Aussparung (9) in dem ersten Spulenkörperelement (2a) und - eine durchgängige prismenförmige zweite Öffnung (7) in dem Statorjochring (1), - wobei das Verbindungselement (3) derart prismenförmig ausgebildet ist, um durch Einführen in die Aussparung (9) und die zweite Öffnung (8) das erste Spulenkörperelement (2a) in dem Statorjochring (1) zu fixieren.
Stator (10) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch: - eine an dem ersten Spulenkörperelement (2a) ausgebildete Nase (5), in der die erste Öffnung (6) ausgebildet ist.
Stator (10) nach Anspruch 5 oder 9, gekennzeichnet durch: - eine in dem Statorjochring (1) ausgebildete Nut (7), in die die Nase (5) einführbar ist.
Elektrische Maschine mit einem Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch: - einen innerhalb des Stators (10) drehbar gelagerten Rotor (12) .
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Elektromotor (16) ist.
Luftfahrzeug (13) mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine Teil eines elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantriebs ist.
Luftfahrzeug (13) nach Anspruch 13 und Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug (13) ein Flugzeug ist und der Elektromotor (16) einen Propeller (14) antreibt.
Verfahren zur Herstellung eines Stators (10) nach den Ansprüchen 4 und 2 mit den Schritten: - Bereitstellen des Statorjochrings (1), - Bereitstellen von Statorspulenträgereinheiten (2), - Herstellen der Luftspulen (4), - Aufschieben der Luftspulen (4) auf die Statorspulenträgereinheiten (2), - Einfügen der Statorspulenträgereinheiten (2) in den Statorjochring (1) in radialer Richtung (R) und - Fixieren der Statorspulenträgereinheiten (2) durch Einführen der Verbindungselemente (3) in die ersten und zweiten Öffnungen (6, 8).
Verfahren zur Herstellung eines Stators (10) nach den Ansprüchen 8 und 6 mit den Schritten: - Bereitstellen des Statorjochrings (1), - Bereitstellen von ersten Spulenkörperelementen (2a), - Herstellen der Luftspulen (4), - Aufschieben der Luftspulen (4) auf die mit dem Statorjochring (1) verbundenen zweiten Spulenkörperelemente (2b), - Einfügen der ersten Spulenkörperelemente (2a) durch die Luftspulen (4) hindurch in den Statorjochring (1) in radialer Richtung (R) und - Fixieren der ersten Spulenkörperelemente (2a) durch Einführen der Verbindungselemente (3) in die Aussparungen (9) und die zweiten Öffnungen (8).