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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend eine bestrombare Statorwicklung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Stators und eine elektrische Maschine.
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In elektrischen Antrieben, die durch einen Wechselrichter gespeist werden, treten in der Regel negative parasitäre Wechselwirkungen auf, die sowohl die Leistung als auch die Zuverlässigkeit der Antriebssysteme beeinträchtigen können. Eine wesentliche parasitäre Wechselwirkung ist die erhöhte elektromagnetische Störstrahlung. Diese Störungen führen zu Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit der elektronischen Geräte und Systeme in der Umgebung des Antriebssystems. Solche Störungen können die ordnungsgemäße Funktion der betroffenen Geräte beeinträchtigen und zu erheblichen Betriebsproblemen führen.
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Ein weiteres bedeutendes Problem, das durch diese parasitären Effekte verursacht wird, sind erhöhte Lagerströme. Diese Ströme entstehen durch kapazitive Kopplungen und schnelle Schaltvorgänge im Wechselrichter und können erhebliche Schäden an den Lagern der elektrischen Maschinen verursachen. Die durch erhöhte Lagerströme induzierten Schäden führen zu vorzeitigen Lagerausfällen, was wiederum die Lebensdauer der gesamten Antriebssysteme verkürzt und zu unerwarteten und kostspieligen Ausfallzeiten in industriellen Anwendungen führen kann.
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Diese negativen parasitären Effekte stellen somit eine ernsthafte Herausforderung dar, die durch geeignete Maßnahmen und Komponenten adressiert werden muss, um die Zuverlässigkeit und Effizienz der elektrischen Antriebe zu gewährleisten.
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Bei Industrieantrieben, insbesondere im Produktionsumfeld, werden häufig Antriebssysteme mit sehr langen Kabelstrecken zwischen Elektromotor und Wechselrichter eingesetzt. Diese Systeme sind besonders anfällig für erhöhte EMV-Probleme und Lagerströme, die durch die langen Kabel hervorgerufen werden. Um diese Probleme zu beheben, werden oft sogenannte Motordrosseln oder Sinusfilter höherer Ordnung eingesetzt. Diese Komponenten enthalten als Kernelement eine stromkompensierte Drehstromgleichtaktdrossel. Diese Bauteile müssen für den definierten Nennstrom der Anwendung ausgelegt sein, wodurch sie relativ groß werden. Im Produktionsumfeld stellt dies in der Regel kein Problem dar.
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Die oben genannten parasitären Probleme treten jedoch nicht nur bei Systemen mit langen Kabeln auf, sondern sind auch stark von der Konstruktionsweise der elektrischen Maschinen und den Eigenschaften der Wechselrichter in Hardware und Software abhängig. Bei mobilen Systemen, wie beispielsweise Automotive-Hochvolt-Antriebssystemen oder Bahnantrieben der neuesten Generation, die extrem schnell schaltende Wide-Band-Gap-Halbleiter verwenden, treten diese Probleme vermehrt auf. In diesen bauraumsensitiven Anwendungen können standardisierte Bauelemente für die Entstörung aufgrund von Bauraumproblemen in der Regel nicht eingesetzt werden. Eine geeignete Drehstromgleichtaktdrossel kann hier die Größenordnung der elektrischen Maschine selbst erreichen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen Stator bereitzustellen der gestrahlte und leitungsgebundene EMV-Probleme sowie die damit einhergehenden Funktionsstörungen in der Umgebung einer elektrischen Maschine zu beheben oder zumindest zu reduzieren. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung einen kompakten Stator bereitzustellen, der sowohl in industriellen als auch in mobilen Antriebssystemen eingesetzt werden kann. Des weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung ein optimiertes Verfahren zur Herstellung eines Stators sowie eine optimierte elektrische Maschine zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend eine bestrombare Statorwicklung, wobei eine Drehstromgleichtaktdrossel in und/oder an dem Stator integriert ist.
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Dies ermöglicht eine kompaktere Bauweise der elektrischen Maschine, da kein zusätzlicher Bauraum für die separate Unterbringung der Drossel erforderlich ist. Darüber hinaus kann die Herstellung effizienter gestaltet werden, da die gleiche Fertigungstechnologie, die für die Bewicklung der Statorwicklung verwendet wird, auch für die Bewicklung der Drehstromgleichtaktdrossel angewendet werden kann.
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Dies führt zu einer Reduzierung der Produktionskosten und einer Vereinfachung der Fertigungsprozesse.
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Stator
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Im Sinne dieser Patentanmeldung ist ein Stator das unbewegliche Bauteil einer elektrischen Maschine, das in der Regel eine bestrombare Statorwicklung umfasst. Der Stator bildet zusammen mit dem Rotor, dem beweglichen Teil der Maschine, das „Herzstück“ des elektrischen Motors oder Generators. Die Funktion des Stators besteht darin, das von der Statorwicklung erzeugte magnetische Feld zu führen und zu verstärken. Dies geschieht durch die Anordnung der Wicklungen auf einem ferromagnetischen Kern, der die magnetische Leitfähigkeit erhöht. Das Zusammenspiel von Rotor und Stator ermöglicht den Antrieb der elektrischen Maschine durch die gegenseitige Beeinflussung ihrer magnetischen Felder.
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Der Aufbau des Stators umfasst in der Regel folgende Komponenten: die Statorwicklung, das Statorblechpaket und das Statorgehäuse. Die Statorwicklung besteht aus Leitungen, durch die elektrischer Strom fließt. Diese Leitungen können aus Kupfer oder Aluminium bestehen und sind beispielsweise auf einem Statorblechpaket gewickelt. Das Statorblechpaket umfasst bevorzugt dünne, isolierte Eisenbleche, die laminiert und zu einem Paket gestapelt sind. Es dient der Verringerung von Wirbelstromverlusten und der Erhöhung der Effizienz der Maschine. Das Statorgehäuse schützt die inneren Komponenten und bietet strukturelle Unterstützung. Es kann aus verschiedenen Materialien wie Aluminium, Stahl oder Verbundwerkstoffen bestehen.
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Vorteilhafterweise kann der Stator auch zusätzliche Komponenten wie eine integrierte Kühlvorrichtung umfassen, um die während des Betriebs entstehende Wärme effektiv abzuführen. Dies ist besonders wichtig für Hochleistungsanwendungen oder kompakte Bauformen, wie sie in der Automobilindustrie verwendet werden.
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Spezielle Ausführungen des Stators umfassen die Gestaltung für Axialflussmaschinen, bei denen das magnetische Feld parallel zur Rotationsachse verläuft, und für Radialflussmaschinen, bei denen das magnetische Feld radial zur Rotationsachse verläuft.
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Der Stator ist insbesondere für die Verwendung in einer elektrischen Maschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Der erfindungsgemäße Stator kann zur Verwendung in einer Radialflussmaschine ausgebildet sein. Ein Stator für eine Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. Die Statornuten besitzen bevorzugt eine im Wesentlichen U-förmige Querschnittskontur. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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Statorwicklung
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Es sind grundsätzlich verschiedene Wicklungstechnologien für einen Stator einer elektrischen Maschine bekannt.
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Im Sinne dieser Patentanmeldung ist eine Statorwicklung eine Anordnung von elektrischen Leitern im Stator einer elektrischen Maschine, die dazu dient, bei Stromfluss ein magnetisches Feld zu erzeugen. Dieses magnetische Feld interagiert mit dem Rotor und ermöglicht so die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie oder umgekehrt. Die Funktion der Statorwicklung besteht somit darin, ein magnetisches Feld zu erzeugen, das den Rotor in Bewegung setzt. Durch den gezielten Stromfluss durch die Wicklungen entsteht ein magnetisches Feld, das in den ferromagnetischen Kern des Stators eingekoppelt wird. Dieses Feld erzeugt die notwendigen Kräfte, die den Rotor antreiben und somit die gewünschte mechanische Bewegung oder Stromerzeugung bewirken.
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Der Aufbau der Statorwicklung umfasst mehrere Windungen von leitfähigem Material, die auf oder in einem Statorblechpaket angebracht sind. Diese Leiter sind vorteilhafterweise aus Kupfer gefertigt. Alternativ kann auch Aluminium als leitfähiges Material verwendet werden, um Kosten zu reduzieren. Die Windungen sind vorteilhafterweise isoliert, um Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Leitern zu vermeiden und die elektrische Sicherheit zu gewährleisten. Zur Isolierung der elektrischen Leiter einer Statorwicklung kann beispielsweise Glimmerpapier, welches aus mechanischen Gründen durch einen Glasgewebeträger verstärkt sein kann, in Bandform um eine oder mehrere elektrische Leiter einer Statorwicklung gewickelt sein, welche mittels eines aushärtenden Harzes imprägniert sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine aushärtbare Lackschicht ohne ein Glimmerpapier zu verwenden, um einen elektrischen Leiter einer Statorwicklung zu isolieren.
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Eine Statorwicklung umfasst somit in der Regel eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger Leiter, deren Längenerstreckung wesentlich größer ist als ihre Durchmesser. Ein elektrischer Leiter einer Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet.
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Statorkühlung
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Im Sinne dieser Patentanmeldung ist eine Statorkühlung ein System oder eine Vorrichtung zur Ableitung der während des Betriebs einer elektrischen Maschine im Stator entstehenden Wärme. Die Funktion der Statorkühlung besteht darin, die Wärme, die durch die elektrischen Verluste im Stator entsteht, effektiv abzuführen.
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Der Aufbau der Statorkühlung kann verschiedene Komponenten umfassen, darunter Kühlkanäle, Kühlmittelpumpen und Wärmeübertragungselemente. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um die Wärme von den heißen Stellen des Stators zu entfernen und an die Umgebung oder an ein externes Kühlsystem abzugeben. Die Kühlkanäle sind in den Stator integriert oder an diesen angebracht und führen das Kühlmittel durch den Stator. Das Kühlmittel, das durch die Kühlkanäle zirkuliert, nimmt die Wärme auf und transportiert sie beispielsweise zu einem Wärmetauscher, wo die Wärme abgegeben wird.
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Bezüglich der Ausführungsformen der Statorkühlung sind verschiedene Konstruktionen und Materialien denkbar. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist die Luftkühlung, bei der Luft durch den Stator geleitet wird, um die Wärme abzuführen. Diese Methode ist einfach und kostengünstig, eignet sich jedoch vor allem für Maschinen mit geringeren Leistungsanforderungen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist die Wasserkühlung, bei der Wasser als Kühlmittel verwendet wird. Diese Methode bietet eine höhere Kühlleistung und ist insbesondere für Hochleistungsmaschinen geeignet. Die Wasserkühlung kann durch integrierte Kühlkanäle im Stator oder durch externe Wassermäntel realisiert werden. Dabei wird das Wasser durch Pumpen zirkuliert und die abgeführte Wärme an einen externen Wärmetauscher abgegeben.
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Eine fortschrittliche Ausführungsform der Statorkühlung ist die Ölkühlung, die eine noch effizientere Wärmeableitung ermöglicht. Ölkühlungssysteme nutzen die hohe Wärmeleitfähigkeit von Öl und sind besonders in kompakten Hochleistungsmaschinen vorteilhaft. Das Öl wird durch spezielle Kühlkanäle oder Ölmäntel im Stator gepumpt und transportiert die Wärme zu einem externen Kühlsystem.
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Zusätzlich können Kombinationen dieser Kühlmethoden verwendet werden, um die Effizienz weiter zu steigern. Zum Beispiel kann eine Wasserkühlung in Verbindung mit einer Luftkühlung eingesetzt werden, um die Wärmeableitung zu optimieren.
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Das Kühlmittel hat in dem Stator die Funktion, Wärme möglichst effizient aus sich erwärmenden Bereichen des Stators abzuführen und ein unerwünschtes Überhitzen dieser Bereiche zu vermeiden. Neben dieser Hauptaufgabe kann das Kühlmittel insbesondere auch die Schmierung und den Korrosionsschutz für bewegliche Teile und die Metalloberflächen des Kühlsystems der elektrischen Maschine bereitstellen. Außerdem kann es insbesondere auch Verunreinigungen (beispielsweise durch Abrieb), Wasser und Luft abführen. Das Hydraulikfluid ist bevorzugt eine Flüssigkeit. Das Hydraulikfluid kann insbesondere ein Öl sein. Grundsätzlich ist es allerdings auch denkbar, wässrige Hydraulikfluide, beispielsweise auch Emulsionen wie Wasser-Glykol-Mischungen, zu verwenden.
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Die Drehstromgleichtaktdrossel kann an die Statorkühlung angeschlossen werden, indem sie in den Kühlkreislauf des Stators integriert wird. Eine Möglichkeit besteht darin, die Kühlkanäle so zu gestalten, dass sie sowohl durch den Stator als auch durch die Drehstromgleichtaktdrossel verlaufen. Dies kann durch direkte Anbindung der Kühlkanäle an die Drosselwicklungen erfolgen, wodurch das Kühlmittel auch die Drossel durchströmt und die entstehende Wärme aufnimmt.
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Eine andere Möglichkeit ist die Anordnung der Drehstromgleichtaktdrossel in unmittelbarer Nähe zu den Kühlkanälen des Stators, sodass die Wärmeübertragung durch thermischen Kontakt erfolgt. Dies kann durch thermisch leitfähige Materialien oder Wärmeleitpasten unterstützt werden, die den Wärmeübergang zwischen der Drossel und den Kühlkanälen verbessern.
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In Systemen mit Flüssigkühlung kann die Drehstromgleichtaktdrossel in den Kühlkreislauf eingebunden werden, indem sie in spezielle Kühlmäntel oder Kühlkammern integriert wird, die direkt mit dem Kühlmittelfluss verbunden sind. Hierdurch wird das Kühlmittel gezielt durch die Drossel geleitet, was eine effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht.
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Drehstromgleichtaktdrossel
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Im Sinne dieser Patentanmeldung ist eine Drehstromgleichtaktdrossel eine elektromagnetische Komponente, die zur Filterung von Gleichtaktstörungen in dreiphasigen elektrischen Systemen verwendet wird. Sie verfügt vorteilhafterweise über einen geeigneten Ferritring, der drei gleiche Wicklungen umfasst, welche magnetisch miteinander gekoppelt sind. Der Wickelsinn der Wicklungen ist so angeordnet, dass sich die durch den Nutzstrom hervorgerufenen Magnetfelder im Ferritring aufheben, was als Stromkompensation bezeichnet wird.
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Die Funktion der Drehstromgleichtaktdrossel besteht also u.a. darin, Gleichtaktstörungen im Stromsignal herauszufiltern und in Wärme umzusetzen. Diese Störungen entstehen häufig durch schnelle Schaltflanken an parasitären Kapazitäten und können die Leistungselektronik negativ beeinflussen. Durch die kompensatorische Anordnung der Wicklungen werden die Magnetfelder des Nutzstroms neutralisiert, während die Gleichtaktstörungen effektiv im Ferritmaterial absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Dies trägt zur Verbesserung der Signalqualität und zur Reduzierung elektromagnetischer Interferenzen bei.
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Der Aufbau der Drehstromgleichtaktdrossel umfasst bevorzugt einen Ferritring und Wicklungen. Der Ferritring dient als magnetischer Kern und ist aus einem Material gefertigt, das für hohe Frequenzen und starke Magnetfelder geeignet ist. Die drei Wicklungen sind gleichmäßig um den Ferritring gewickelt und so angeordnet, dass ihre Magnetfelder im Betrieb kompensiert werden. Der Leitungsquerschnitt der Wicklungen ist vorteilhafterweise auf die Höhe des Nutzstroms ausgelegt, um eine effektive Stromführung zu gewährleisten.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht die Integration der Drehstromgleichtaktdrossel in den Kühlkreislauf des Stators bzw. der elektrischen Maschine vor. Hierbei wird die Drossel entweder direkt in die Kühlkanäle des Stators eingebunden oder in unmittelbarer Nähe zu diesen angeordnet, sodass sie von der vorhandenen Kühlung profitieren kann. Diese Anordnung ermöglicht eine effiziente Wärmeableitung, was besonders bei hohen Strömen und in kompakten Bauformen von Vorteil ist.
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Zusätzlich kann die Drehstromgleichtaktdrossel in verschiedenen geometrischen Formen ausgeführt werden, um sich besser an die spezifischen Anforderungen der elektrischen Maschine anzupassen. So können beispielsweise ringförmige, toroidale oder auch flache Bauformen realisiert werden, um eine optimale Integration in den Stator zu ermöglichen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Stator eine fluidische Statorkühlung aufweist und die Drehstromgleichtaktdrossel mit der Statorkühlung gekoppelt ist, und hierdurch im Betrieb des Stators kühlbar ist. Die Integration der fluidischen Statorkühlung zur Kühlung der Drehstromgleichtaktdrossel bietet den Vorteil, dass die Drehstromgleichtaktdrossel während des Betriebs effektiv gekühlt werden kann. Dies ist insbesondere bei größeren Leistungen oder kompakten Automotive Hochvolt Systemen von Bedeutung, wo wasser- oder ölgekühlte Motoren/Statoren eingesetzt werden. Durch die Mitkühlung der Drehstromgleichtaktdrossel kann der notwendige Bauraum für die Drossel stark reduziert werden, was - neben der entsprechenden Bauraumreduzierung - die Gesamteffizienz der elektrischen Maschine verbessert und die Wärmeableitung optimiert.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Stator ein Statorgehäuse umfasst und die Drehstromgleichtaktdrossel zumindest teilweise, bevorzugt vollständig innerhalb des Statorgehäuses angeordnet ist. Die Anordnung der Drehstromgleichtaktdrossel zumindest teilweise oder vollständig innerhalb des Statorgehäuses hat den Vorteil, dass die Drossel optimal vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Dies erhöht die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Drossel, da sie weniger anfällig für mechanische Beschädigungen oder Verunreinigungen ist. Zudem trägt diese Anordnung zur weiteren Kompaktierung des gesamten Systems bei, was insbesondere bei Anwendungen mit begrenztem Bauraum vorteilhaft ist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Drehstromgleichtaktdrossel in Tangentialanordnung in und/oder an dem Stator angeordnet ist. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass die Drehstromgleichtaktdrossel in Radialanordnung in und/oder an dem Stator angeordnet ist.
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Im Sinne dieser Patentanmeldung ist eine Tangentialanordnung der Drehstromgleichtaktdrossel eine spezifische Anordnung der Drossel in oder an dem Stator einer elektrischen Maschine, bei der die Drehstromgleichtaktdrossel tangential zur Umfangsrichtung des Stators positioniert ist. Diese Anordnung ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Drossel entlang des Statorumfangs und trägt dazu bei, die räumliche Integration der Drossel in den Stator zu optimieren.
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Im Sinne dieser Patentanmeldung ist eine Radialanordnung der Drehstromgleichtaktdrossel eine spezifische Anordnung der Drossel in oder an dem Stator einer elektrischen Maschine, bei der die Drehstromgleichtaktdrossel radial zur Achse des Stators positioniert ist. Diese Anordnung ermöglicht es, die Drossel entlang der radialen Richtung des Stators zu platzieren, was eine effiziente Integration und Kühlung ermöglicht.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Stator zur Verwendung in einer Axialflussmaschine oder einer Radialflussmaschine konfiguriert ist.
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Die Aufgabe der Erfindung kann auch gelöst werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine umfassend die folgenden Schritte:
- - Bereitstellung einer ersten Bewicklungsanlage;
- - Bereitstellung eines Stators;
- - Bereitstellung eines ersten Wicklungsleiters;
- - Bereitstellung einer zweiten Bewicklungsanlage;
- - Bereitstellung eines Ferritrings;
- - Bereitstellung eines zweiten Wicklungsleiters;
- a) Bewicklung des Stators mit dem ersten Wicklungsleiter zur Ausbildung einer Statorwicklung durch die erste Bewicklungsanlage;
- b) Bewicklung des Ferritrings mit dem zweiten Wicklungsleiter zur Ausbildung einer Drehstromgleichtaktdrossel durch die zweite Bewicklungsanlage;
- c) Integrieren der Drehstromgleichtaktdrossel in und/oder an dem Stator, wobei die Schritte a),b) in einer beliebigen Reihenfolge ausführbar sind.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der erste Wicklungsleiter und der zweite Wicklungsleiter im Wesentlichen identisch sind. Die Verwendung identischer Wicklungsleiter für die Statorwicklung und die Drehstromgleichtaktdrossel bietet den Vorteil der Standardisierung und Vereinfachung der Materialbeschaffung. Dies kann zu einer Reduzierung der Lagerhaltungskosten und einer Erhöhung der Kosteneffizienz führen. Zudem erleichtert dies die Integration der Drossel in den Stator, da keine unterschiedlichen Materialeigenschaften berücksichtigt werden müssen.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die erste Bewicklungsanlage und die zweite Bewicklungsanlage identisch sind. Die Verwendung identischer Bewicklungsanlagen für die Statorwicklung und die Drehstromgleichtaktdrossel bietet den Vorteil, dass keine zusätzlichen Investitionen in unterschiedliche Maschinen und Werkzeuge erforderlich sind. Dies reduziert die Produktionskosten und vereinfacht die Wartung und Schulung des Personals, da nur ein einheitlicher Maschinenpark betrieben und gewartet werden muss. Wenn zwei Bewicklungsanlagen zur Verfügung stehen, kann das Bewickeln des Stators und der Drehstromgleichtaktdrossel zeitlich parallel erfolgen. Insbesondere ist es aber auch möglich, dass die Bewicklung des Stators und der Drehstromgleichtaktdrossel auf der gleichen Bewicklungsanlage nacheinander erfolgt.
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Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst werden durch eine elektrische Maschine umfassend einen Stator nach einem der Ansprüche 1-6. Die elektrische Maschine, die einen Stator gemäß den vorangegangenen Ansprüchen umfasst, bietet den Vorteil, dass sie die genannten Vorteile der Integration und Kühlung der Drehstromgleichtaktdrossel, der flexiblen Anordnung und der optimierten Herstellungstechnologien in sich vereint. Dies führt zu einer verbesserten Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine, während gleichzeitig die Produktionskosten gesenkt und der Bauraum optimiert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 ein elektrisches Schaltbild des Stators,
- 2 einen Stator mit einer Drehstromgleichtaktdrossel in Tangentialanordnung,
- 3 einen Stator mit einer Drehstromgleichtaktdrossel in Radialanordnung.
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Die 1 zeigt einen Stator 1 für eine elektrische Maschine 2, umfassend eine bestrombare Statorwicklung 3, wobei eine der Statorwicklung 3 vorgeschaltete Drehstromgleichtaktdrossel 4 in und/oder an dem Stator 1 integriert ist. Mit „integriert“ ist gemeint, dass die Drehstromgleichtaktdrossel 4 entweder in dem Stator 1 eingebaut oder an diesem befestigt ist.
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Diese Integration kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Drehstromgleichtaktdrossel 4 vollständig oder teilweise innerhalb des Stators 1 unterzubringen. In diesem Fall ist die Drehstromgleichtaktdrossel 4 in speziell dafür vorgesehenen Kammern oder Räumen im Stator 1 positioniert, was eine kompakte Bauweise ermöglicht.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Drehstromgleichtaktdrossel 4 an der äußeren Oberfläche des Stators 1 zu befestigen. Diese Anordnung erleichtert die Wartung und ermöglicht einen schnellen Zugang zur Drehstromgleichtaktdrossel 4, ohne den gesamten Stator 1 demontieren zu müssen.
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Darüber hinaus kann die Drehstromgleichtaktdrossel 4 in den Kühlkreislauf des Stators 1 integriert sein. In dieser Ausführungsform umschließen oder durchfließen die Kühlkanäle des Stators 1 auch die Drehstromgleichtaktdrossel 4, wodurch eine effiziente Wärmeableitung gewährleistet wird.
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Durch die Integration der Drehstromgleichtaktdrossel 4 in und/oder an den Stator 1 wird der Bauraum effizient genutzt und die Gesamtkonstruktion der elektrischen Maschine kompakter gestaltet. Diese Integration trägt auch zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen bei und verbessert die elektrische und thermische Leistung der Maschine.
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Aus der 1 ist ferner ersichtlich, dass der Stator 1 eine fluidische Statorkühlung 5 aufweist und die Drehstromgleichtaktdrossel 4 mit der Statorkühlung 5 gekoppelt ist, und hierdurch im Betrieb des Stators 1 kühlbar ist. Die Statorkühlung 5 ist in dem gezeigten Beispiel als geschlossener Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe 11 und einem Wärmetauscher 9 ausgeführt. Als Kühlmittel wird ein Kühlöl verwendet.
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Die Statorwicklung 3 ist als Sternschaltung konfiguriert und wird über die Motorklemmen 10 von einem dreiphasigen Strom bestromt. In dieser Konfiguration sind die drei Wicklungsstränge der Statorwicklung 3 sternförmig miteinander verbunden, wobei jeweils ein Ende der Wicklungsstränge an einem gemeinsamen Neutralpunkt zusammengeführt wird. Die anderen Enden der Wicklungsstränge sind mit den Motorklemmen 10 verbunden, an die der dreiphasige Strom angelegt wird. Diese Anordnung ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Stroms und der Spannung über die Wicklungsstränge, was zu einer effizienten Erzeugung des magnetischen Feldes im Stator 1 führt.
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Alternativ ist es auch möglich, die Statorwicklung 3 in einer Dreieckschaltung auszuführen. In dieser Konfiguration sind die Wicklungsstränge so miteinander verbunden, dass jeweils das Ende eines Wicklungsstrangs mit dem Anfang des nächsten Wicklungsstrangs verbunden ist, wodurch eine geschlossene Schleife oder ein Dreieck entsteht. Die Motorklemmen 10 sind an den Verbindungspunkten zwischen den Wicklungssträngen angebracht, wodurch der dreiphasige Strom in das System eingespeist wird. Diese Schaltungsart ermöglicht es, eine höhere Spannung an den Wicklungssträngen zu erzeugen und kann bei bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen eine höhere Leistungsabgabe des Motors erforderlich ist.
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Der 1 ist auch gut entnehmbar, dass der Stator 1 ein Statorgehäuse 6 umfasst und die Drehstromgleichtaktdrossel 4 vollständig innerhalb des Statorgehäuses 6 angeordnet ist.
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In der 2 ist die Drehstromgleichtaktdrossel 4 in Tangentialanordnung 7 in und/oder an dem Stator 1 angeordnet, während sie in der 3 in Radialanordnung 8 in und/oder an dem Stator 1 angeordnet ist. Die Tangentialanordnung 7 bietet sich auf Grund der Konstruktionsweise vor allem für Axialflussmaschinen an. Die Radialanordnung 8 ist hingegen bei Radialflussmaschinen bevorzugt.
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Ein Verfahren zur Herstellung des Stators 1 der elektrischen Maschine 2 umfassend kann die folgenden Schritte umfassen: Zunächst erfolgt die Bereitstellung einer ersten Bewicklungsanlage, eines Stators 1, eines ersten Wicklungsleiters, einer zweiten Bewicklungsanlage, eines Ferritrings sowie eines zweiten Wicklungsleiters. Dann erfolgt die Bewicklung des Stators 1 mit dem ersten Wicklungsleiter zur Ausbildung einer Statorwicklung 3 durch die erste Bewicklungsanlage und die Bewicklung des Ferritrings mit dem zweiten Wicklungsleiter zur Ausbildung einer Drehstromgleichtaktdrossel 4 durch die zweite Bewicklungsanlage. Abschließend wird die Drehstromgleichtaktdrossel 4 in und/oder an dem Stator 1 integriert.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Statorwicklung
- 4
- Drehstromgleichtaktdrossel
- 5
- Statorkühlung
- 6
- Statorgehäuse
- 7
- Tangentialanordnung
- 8
- Radialanordnung
- 9
- Wärmetauscher
- 10
- Motorklemmen
- 11
- Kühlmittelpumpe