WO2002009256A1 - Stator mit hohem füllfaktor - Google Patents

Stator mit hohem füllfaktor Download PDF

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WO2002009256A1
WO2002009256A1 PCT/DE2001/002083 DE0102083W WO0209256A1 WO 2002009256 A1 WO2002009256 A1 WO 2002009256A1 DE 0102083 W DE0102083 W DE 0102083W WO 0209256 A1 WO0209256 A1 WO 0209256A1
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Inventor
Bernhard Rupp
Anton Paweletz
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/18—Windings for salient poles

Definitions

  • the invention relates to a stator according to the preamble of claim 1.
  • a stator is already known from US Pat. No. 5,089,730, in which there is a clear cavity between two coils, which deteriorates the fill factor and thus the performance of the motor.
  • features of claim 1 have the advantage that the fill factor is improved in a simple manner.
  • two coils have approximately the same number of turns and cross-sectional area, but one have different cross-sectional contours because this optimally fills the cavity between the coils.
  • a first coil has a rectangular cross section and a second coil is trapezoidal.
  • the small cavity between the coils has the advantage that the control of a motor with temperature-dependent ohmic resistances is simplified by the resultant uniform heat distribution in the coils.
  • the different coils are arranged alternately on the stator in the circumferential direction, because the forces arising due to the asymmetry of the coil geometries are canceled out on average.
  • stator has a laminated core, because it makes it inexpensive and easy to manufacture.
  • the coil former is prefabricated and can be pushed onto a stator pole tooth, because this makes assembly easier.
  • a stator pole tooth for example a clip connection, an adhesive or a clamp fit can be used.
  • FIG. 1 shows a section of a stator according to the invention with two coil halves
  • FIG. 2 shows a further stator according to the invention
  • FIG. 3 shows an energization pattern of a stator according to the invention.
  • FIG. 1 shows a section of a stator 1 according to the invention, which has at least two stator pole teeth 3.
  • the stator 1 with the stator pole teeth 3 has a central axis 5 running perpendicular to the plane of the drawing, which for example also forms an axis of symmetry.
  • a cavity 8 Between two directly adjacent stator pole teeth 3 in the circumferential direction there is a cavity 8, in each of which one half of a first coil 11 and a second coil 13 are arranged. The coils are applied to the stator pole tooth 3 from the inside.
  • the coils 11, 13 are wound on a bobbin 19, for example. So-called baked enamel coils can also be used.
  • the coils 11, 13 are, for example, by means of automatic machines from the inside onto the stator pole tooth 3, postponed.
  • a plurality of coils 11, 13 can also be arranged on a stator pole tooth 3.
  • such coils have a rectangular cross section, as a result of which the remaining cavity between the coils has an almost trapezoidal cross section.
  • the two coils with the rectangular cross section cannot therefore completely fill the trapezoidal cross section of the cavity. This leads to an increase in the installation space of the stator and thus an electric motor.
  • Coils that have a cross-sectional contour that correspond to the halved trapezoidal cross-sectional contour of the cavity 8 cannot be used, since such a first coil can be pushed onto a stator pole tooth 3, but the coil of the same shape can no longer be placed between the other stator pole tooth 3 and the coil can be pushed through.
  • the first coil 11 has a first coil geometry 15 which differs from the second coil geometry 17 of the second coil 13.
  • the first coil 11 and the second coil 13 have approximately the same cross-sectional area, the second coil 13 having a rectangular cross section 17 and the first coil 11 having a trapezoidal cross section 15.
  • the first coil 11 is first pushed onto the stator pole tooth 3 from the inside and, for example, by gluing or by a clamp fit on the
  • Stator pole tooth 3 attached. Then the second coil 13 with the rectangular cross section can be pushed onto the directly adjacent stator pole tooth 3, so that a minimal or no cavity 8 is left between the two coils 11, 13. It is particularly advantageous if, in the assembled state, the mutually facing surfaces of the circumference of the coils 11, 13 run parallel to one another.
  • stator 1 is subjected to high thermal loads, it may be advantageous for a cooling path 23 to be present between two coils 11, 13, via which the heat is removed, for example, by the air.
  • This cavity is significantly smaller or more uniform than a cavity according to the prior art.
  • a cooling path 23 may be present between two coils 11, 13, so that the heat of the coil, which is therefore highly thermally loaded to which less electrical and thus less thermally loaded coil can be discharged.
  • a heat-conducting paste, which is introduced into the cooling path 23, improves the heat transfer from the highly loaded coil to the less loaded coil.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the stator 1 according to the invention.
  • the first coil 11 and the second coil 13 can be pushed onto the stator pole tooth 3 from the outside.
  • a first coil geometry 15 and a second coil geometry 17 can be the same.
  • the coils 11, 13 are designed such that the cavity 8 between the coils 11, 13 is minimal.
  • the object of the invention is not limited to prefabricated coils, but also applies to stators 1 which are wound.
  • Figure 3 shows how a stator 1 is preferably energized with coils 11, 13.
  • stator 1 with, for example, 18 stator pole teeth 3, in the middle of which, shown here in broken lines, a rotor 25 with, for example, 12
  • Rotor pole teeth are present. Furthermore, this embodiment is an arrangement for a so-called switched reluctance motor. Since the teeth of such a motor do not have tooth heads, it is possible to use prefabricated coils. However, the invention is not limited to such motors, but is also used in general in electrical machines, such as motors / generators in which a tooth head is subsequently installed or is also present.
  • the different coils 11, 13 are arranged alternately on the stator in the circumferential direction.
  • the different geometries 15, 17 of the coils 11, 13 produce slight differences in the magnetic stray and main flux.
  • this can be compensated for by the fact that both variants are present on two opposite stator pole teeth 3, which are energized simultaneously.
  • the sum of the leakage flux and the main flux within the phases is the same for each pair of teeth.
  • the slight asymmetries of the forces that occur are compensated for by the fact that in this exemplary embodiment 3 coils displaced by 120 ° around stator pole teeth 3 are simultaneously energized and the resulting radial forces cancel each other out.
  • FIG. 3 the coils 11, 13 which are energized at the same time are identified by areas filled in black.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Ein Stator nach dem Stand der Technik hat zwischen zwei Spulen einen Hohlraum, der den Füllfaktor verringert. Ein erfindungsgemässer Stator (1) hat Spulen (11, 13), die so zueinander ausgeformt sind, dass zwischen den zwei Spulen (11, 13) ein minimaler oder kein Hohlraum (8) vorhanden ist.

Description

STATOR MIT HOHEM FUL FAKTOR
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Stator nach der Gattung des Anspruchs 1.
Aus der US-PS 5,089,730 ist schon ein Stator bekannt, bei dem zwischen zwei Spulen ein deutlicher Hohlraum vorhanden ist, der den Füllfaktor und damit die Leistung des Motors verschlechtert.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Stator mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise der Füllfaktor verbessert wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des im Anspruch 1 genannten Stators möglich.
Es ist vorteilhaft, dass zwei Spulen eine ungefähr gleiche Windungszahl und Querschnittsfläche haben, aber eine verschiedene Querschnittskontur aufweisen, weil dadurch der Hohlraum zwischen den Spulen optimal ausgefüllt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine erste Spule einen rechteckigförmigen Querschnitt hat und eine zweite Spule trapezförmig ausgebildet ist.
Bei besonderer thermischer Belastung, insbesondere bei einer zeitweisen asymmetrischen Bestromung der Spulen, ist es vorteilhaft, dass zwischen zwei Spulen ein Kühlpfad vorhanden ist.
Der geringe Hohlraum zwischen den Spulen ergibt den Vorteil, dass durch eine daraus resultierende gleichmässige Wärmeverteilung in den Spulen die Regelung eines Motors mit temperaturabhängigen Ohm' sehen Widerständen vereinfacht ist.
Es ist je nach Anwendung vorteilhaft, die Spule von innen oder von aussen auf den Statorpolzahn aufzubringen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, dass die unterschiedlichen Spulen in Umfangsrichtung abwechselnd auf dem Stator angeordnet sind, weil dadurch die durch die Asymmetrie der Spulengeometrien entstehenden Kräfte im Mittel aufgehoben werden.
Vorteilhaft ist es, wenn der Stator ein Blechpaket hat, weil er dadurch kostengünstig und einfach herzustellen ist.
Weiterhin vorteilhaft ist es, dass die Spule auf einem
Spulenkörper vorgefertigt ist und auf einen Statorpolzahn aufgeschoben werden, weil dadurch die Montage erleichtert wird. Für eine vorteilhafte Befestigung der Spule auf dem Statorpolzahn kann bspw. eine Clipsverbindung, eine Klebung oder ein Klemmsitz verwendet werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Stators mit zwei Spulenhälften, Figur 2 einen weiteren erfindungsgemäßen Stator, und Figur 3 ein Bestromungsmuster eines erfindungsgemäßen Stators .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemässen Stators 1, der zumindest zwei Statorpolzahne 3 hat. Der Stator 1 mit den Statorpolzahnen 3 hat eine senkrecht zur Zeichungsebene verlaufende Mittelachse 5, die beispielsweise auch eine Symmetrieachse bildet. Zwischen zwei in Umfangsrichtung direkt benachbarten Statorpolzahnen 3 befindet sich ein Hohlraum 8, in dem jeweils eine Hälfte einer ersten Spule 11 und einer zweiten Spule 13 angeordnet sind. Die Spulen werden von innen auf dem Statorpolzahn 3 aufgebracht .
Die Spulen 11, 13 sind beispielsweise auf einem Spulenkörper 19 aufgewickelt. Es können aber auch sogenannte Backlack- Spulen verwendet werden. Die Spulen 11, 13 werden bspw. mittels Automaten von innen auf den Statorpolzahn 3, aufgeschoben. Es können auch mehrere Spulen 11, 13 auf einem Statorpolzahn 3 angeordnet sein.
Nach, dem Stand der Technik haben solche Spulen einen rechteckformigen Querschnitt, wodurch der verbleibende Hohlraum zwischen den Spulen ein nahezu trapezförmigen Querschnitt hat. Die zwei Spulen mit dem rechteckigen Querschnitt können also den trapezförmigen Querschnitt des Hohlraums nicht vollständig ausfüllen. Dies führt zu einer Erhöhung des Bauraums des Stators und damit eines elektrischen Motors.
Spulen, die eine Querschnittskontur haben, die der halbierten trapezförmigen Querschnittskontur des Hohlraums 8 entsprechen, können nicht verwendet werden, da zwar eine solche erste Spule auf einen Statorpolzahn 3 aufgeschoben werden kann, aber die gleichgeformte Spule nicht mehr zwischen dem anderen Statorpolzahn 3 und der Spule hindurchgeschoben werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäss Figur lhat die erste Spule 11 eine erste Spulengeometrie 15, die sich von der zweiten Spulengeometrie 17 der zweiten Spule 13 unterscheidet . Die erste Spule 11 und die zweite Spule 13 haben aber eine ungefähr gleiche Querschnittsfläche, wobei die zweite Spule 13 einen rechteckformigen Querschnitt 17 hat und die erste Spule 11 einen trapezförmigen Querschnitt 15 aufweist.
Bei der Montage wird zuerst die erste Spule 11 von innen auf den Statorpolzahn 3 aufgeschoben und beispielsweise durch eine Klebung oder durch Klemmsitz auf dem
Statorpolzahn 3 befestigt. Dann kann die zweite Spule 13 mit dem rechteckformigen Querschnitt auf den direkt benachbarten Statorpolzahn 3 aufgeschoben werden, so dass zwischen den zwei Spulen 11, 13 ein minimaler oder kein Hohlraum 8 mehr vorhanden ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn im montierten Zustand die einander zugewandten Flächen des Umfangs der Spulen 11, 13 parallel zueinander verlaufen.
Bei hoher thermischer Belastung des Stators 1 kann es vorteilhaft sein, dass ein Kühlpfad 23 zwischen zwei Spulen 11, 13 vorhanden ist, über den die Wärme bspw. durch die Luft abgeführt wird. Dieser Hohlraum ist deutlich kleiner bzw. gleichmäßiger ausgebildet als ein Hohlraum nach dem Stand der Technik.
Bei hoher thermischer Belastung der Spulen 11, 13 durch eine zeitweise asymmetrische Bestromung der Spulen 11, 13, kann es vorteilhaft sein, dass zwischen zwei Spulen 11, 13 ein Kühlpfad 23 vorhanden ist, so dass die Wärme der elektrisch und damit thermisch hoch belasteten Spule an die weniger elektrisch und damit weniger thermisch belastete Spule abgeführt werden kann. Durch eine Wärmeleitpaste, die in den Kühlpfad 23 eingebracht ist, verbessert sich der Wärmeübertrag der hoch belasteten Spule an die weniger belastete Spule.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stators 1. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 können die erste Spule 11 und die zweite Spule 13 von außen auf die Statorpolzahne 3 aufgeschoben werden. Dabei können eine erste Spulengeometrie 15 und eine zweite Spulengeometrie 17 gleich sein. Die Spulen 11, 13 sind so gestaltet, dass der Hohlraum 8 zwischen den Spulen 11, 13 minimal ist.
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht beschränkt auf vorgefertigte Spulen, sondern gilt auch für Statoren 1 die bewickelt werden. Figur 3 zeigt, wie ein Stator 1 mit Spulen 11, 13 vorzugsweise bestromt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Stator 1 mit bspw. 18 Statorpolzähnen 3, in dessen Mitte, hier gestrichelt gezeichnet, ein Rotor 25 mit bspw. 12
Rotorpolzahnen vorhanden ist. Weiterhin handelt es sich bei diesem Ausführungsbeispiel um eine Anordnung für einen sogenannten switched reluctance-Motor . Da die Zähne eines solchen Motors keine Zahnköpfe aufweisen, besteht besonders hier die Möglichkeit vorgefertigte Spulen zu verwenden. Die Erfindung ist aber nicht beschränkt auf solche Motoren, sondern findet auch Anwendung bei elektrischen Maschinen allgemein, wie Motoren/Generatoren bei denen anschließend ein Zahnkopf montiert wird oder auch vorhanden ist.
In diesem Ausführungsbeispiel gibt es nur eine erste und eine zweite Spulengeometrie 15, 17. Die unterschiedlichen Spulen 11, 13 sind in Umfangsrichtung abwechselnd auf dem Stator angeordnet. Die unterschiedlichen Geometrien 15, 17 der Spulen 11, 13 erzeugen zwar geringe Unterschiede im magnetischen Streu- und Hauptfluß. Dies kann aber dadurch kompensiert werden, dass auf zwei gegenüberliegenden Statorpolzahnen 3 beide Varianten vorhanden sind, die gleichzeitig bestromt werden. Somit ist die Summe des Streuflusses und des Hauptflusses innerhalb der Phasen für jedes Zahnpaar gleich. Die geringen Asymmetrien der auftretenden Kräfte werden dadurch kompensiert, dass in diesem Ausführungsbeispiel jeweils 3 um 120° versetzte Spulen um Statorpolzähne 3 gleichzeitig bestromt werden und sich die entstehenden Radialkräfte gegenseitig aufheben. In
Figur 3 sind die gleichzeitig bestromten Spulen 11, 13 durch schwarz ausgefüllte Flächen gekennzeichnet.

Claims

Patentansprüche
1. Stator, insbesondere für einen geschalteten Reluktanzmotor, mit zumindest zwei Statorpolzähnen, mit zumindest einer Spule, die auf einem der Statorpolzahne angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine erste Spule (11) und zumindest eine zweite Spule (13) auf benachbarten Statorpolzahnen (3) angeordnet und so ausgeformt sind, dass zwischen den zwei Spulen (11,13) ein minimaler Hohlraum (8) entsteht.
2. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator (1) Spulen (11,13) mit unterschiedlicher
Geometrie (15,17) aufweist.
3. Stator nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Spule (11,13) von innen auf den Stator (1) aufgebracht ist.
4. Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Spule (11,13) von aussen auf den Stator (1) aufgebracht ist.
5. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Spule (11,13) auf den Statorpolzahn (3) aufgeschoben ist.
6. Stator nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Spule (11,13) durch eine Clipsverbindung oder durch Klebung oder durch Klemmsitz auf dem Statorpolzahn (3) befestigt ist.
7. Stator nach einem oder mehrerem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine erste Spule (11) eine erste
Querschnittskontur (15) und eine erste Querschnittsfläche hat, dass zumindest eine zweite Spule (13) eine zweite
Querschnittskontur (17) und eine zweite Querschnittsfläche hat, die ungefähr so gross wie die erste Querschnittsfläche ist.
8. Stator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest eine erste Spule (11) zumindest teilweise einen trapezförmigen Querschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche hat, dass die zumindest eine zweite Spule (13) zumindest teilweise einen rechteckigen Querschnitt hat und ungefähr die gleiche Querschnittsfläche wie die erste Querschnittsfläche hat.
9. Stator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest zwischen zwei Spulen (11,13) ein Kühlpfad (23) vorhanden ist.
10. Stator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Spule (11,13) vorgefertigt ist.
11. Stator nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (11,13) zwei unterschiedliche Spulengeometrien (15,17) aufweisen, und dass die unterschiedlichen Spulen (11,13) in Umfangsrichtung abwechselnd auf dem Stator (1) angeordnet sind.
12. Stator nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass die Spulen (11,13) zwei unterschiedliche Spulengeometrien (15,17) aufweisen, dass die unterschiedlichen Spulengeometrien (15,17) eine Asymmetrie im magnetischen Hauptfluss erzeugen, und dass die Spulen (11,13) so bestromt sind, dass die durch die Asymmetrie entstehenden Kräfte im Mittel aufgehoben sind.
13. Stator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator (1) ein Blechpaket hat.
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