ELEKTRISCHE MASCHINE Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann einen Stator und einen relativ dazu beweglich gelagerten Rotor umfassen.

Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch betrieben werden. Der Stator kann eine elektrische Wicklung in Nuten umfassen, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und zum Beispiel die Form eines Stabes aufweist. Die elektrische Wicklung wird an ein Stromsystem angeschlossen, welches mehrphasig sein kann.

Wenn die Nuten zu einem großen Anteil mit den Leitern der elektrischen Wicklung gefüllt sind, können hohe Stromdichten in der elektrischen Wicklung und somit geringe

Gleichstromwiderstände im Betrieb der elektrischen Maschine erreicht werden. Wenn eine Nut vollständig mit einer

elektrischen Wicklung gefüllt ist, durchsetzt im Betrieb der elektrischen Maschine ein induziertes Magnetfeld, das

Nutenquerfeld, die elektrische Wicklung. In der elektrischen Wicklung werden dadurch Spannungen induziert und dadurch wiederum Wirbelströme. Durch die induzierten Wirbelströme kommt es zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung innerhalb der elektrischen Wicklung. Außerdem können beim Nutenquerfeld zusätzlich zur Grundwelle Oberwellen auftreten, welche zu Verlusten im Betrieb der elektrischen Maschine führen.

Dadurch wird der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine reduziert . Des Weiteren können die Nuten nahe dem Luftspalt abgerundet sein, was dazu führt, dass der magnetische Widerstand nahe dem Luftspalt verringert ist. Daher ist das Nutenquerfeld in diesem Bereich besonders ausgeprägt und die

Oberwelleneindringtiefe besonders hoch. Dies führt zu großen Stromdichten der Wirbelströme.

Eine Lösung besteht zum Beispiel darin, die Nuten geschlossen auszuführen, das heißt, sie weisen keine Öffnungen zum

Luftspalt auf. In diesem Fall kann das Nutenquerfeld jedoch immer noch die elektrische Wicklung durchsetzen.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine elektrische

Maschine mit einem erhöhten Wirkungsgrad anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen

Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Stator, welcher eine Vielzahl von Nuten aufweist und an einen Luftspalt angrenzt. Der Stator kann ein Statorblech umfassen, in welches die Nuten eingebracht sind. Der Luftspalt kann beispielsweise zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine ein erstes Material mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, wobei das erste Material die Nuten jeweils teilweise, aber nicht vollständig, ausfüllt. Das erste

Material kann also Leiterabschnitte oder elektrische

Windungen in den Nuten bilden und es kann beispielsweise durch Stäbe oder andere Wicklungsarten, zum Beispiel Spulen, gebildet sein. Das erste Material kann elektrisch leitfähig sein und beispielsweise Kupfer oder Aluminium umfassen. Das erste Material kann auch andere Materialien oder Legierungen mit einer elektrischen Leitfähigkeit von bevorzugt mindestens 14 Mega Siemens pro Meter umfassen. Das erste Material kann para- oder diamagnetisch sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine ein zweites Material mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, welche geringer als die erste elektrische

Leitfähigkeit ist. Das zweite Material kann beispielsweise Zinn, Bronze, Titan, Edelstähle, Kunststoffe, Flüssigkeiten oder Gase umfassen. Die zweite elektrische Leitfähigkeit kann kleiner als 10 Mega Siemens pro Meter sein. Außerdem kann das zweite Material para- oder diagmagnetisch sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine füllt das zweite Material ausschließlich einen

Randbereich der Nuten aus und der Randbereich befindet sich auf einer dem Luftspalt zugewandten Seite in den Nuten. Das zweite Material befindet sich also nicht in einem Bereich der Nuten, welcher sich nicht auf der dem Luftspalt zugewandten Seite befindet. Die geometrische Form des zweiten Materials in den Nuten ist beliebig. Die geometrische Form des zweiten Materials kann so gewählt sein, dass ein Teil des

Nutenquerfeldes das erste Material in der Nut nicht mehr durchdringt .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine ist das erste Material in den Nuten auf einer ersten Seite des Stators elektrisch leitend miteinander verbunden. Das erste Material in den Nuten kann beispielsweise durch einen Kurzschlussring auf der ersten Seite des Stators miteinander verbunden sein. Somit sind die Stäbe oder

elektrischen Windungen so miteinander verbunden, dass sie miteinander einen Kurzschluss bilden. Der Kurzschlussring kann nur das erste Material miteinander verbinden oder den gesamten Bereich der Nuten, also auch das zweite Material.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Stator, das erste und das zweite Material. Durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des zweiten Materials wird der Nutenquerfluss in den Nuten im Bereich nahe zum Luftspalt verhindert oder erschwert.

Außerdem werden die Stromdichten der Wirbelströme wegen der geringeren elektrischen Leitfähigkeit des zweiten Materials reduziert. Somit kann die Stromverdrängung im Bereich der

Nuten reduziert werden und es ergeben sich geringere Verluste im Betrieb der elektrischen Maschine. Daher ergibt sich auch ein besserer Wirkungsgrad. Falls das zweite Material zusätzlich kompressibel ist, kann die unterschiedliche thermische Ausdehnung des ersten

Materials und des Materials des Statorblechs durch das zweite Material ausgeglichen werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine weist das erste Material in jeder Nut die Form eines Stabes auf, wobei jeder Stab dazu eingerichtet ist, auf einer zweiten Seite des Stators von einer Stromversorgungseinheit mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt zu werden. Der Stator kann also ähnlich wie ein Käfigläufer aufgebaut sein, wobei nur an der ersten Seite des Stators ein Kurzschlussring angebracht ist. An der zweiten Seite des Stators sind die Stäbe in den Nuten an eine Stromversorgungseinheit angeschlossen. Die Stäbe in den Nuten können also pro Nut mit einer individuellen Phase

beaufschlagt werden. Es ist auch möglich, dass Gruppen benachbarter Stäbe mit einer jeweils eigenen Phase versorgt werden. Die Stäbe in den Nuten sind bevorzugt geradlinig.

Dies vereinfacht zum Beispiel die Fertigung der Stäbe und der Nuten .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine ist ein drittes Material in den Nuten so angeordnet, dass das erste Material elektrisch vom Material des Stators isoliert ist. Das dritte Material kann beispielsweise eine Nutisolation umfassen. Das dritte Material kann

beispielsweise Kunststoffe, Polyimide, organische und nicht- organische Materialien umfassen. Das dritte Material kann das erste Material beispielsweise umgeben. Es ist jedoch nicht nötig, dass das dritte Material das erste Material in den Nuten vollständig umgibt. Das Material des Stators kann beispielsweise ein Statorblech umfassen. In das Statorblech können die Nuten des Stators eingebracht sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine beträgt die zweite elektrische Leitfähigkeit

höchstens 10 Prozent der ersten elektrischen Leitfähigkeit. Die geringere elektrische Leitfähigkeit des zweiten Materials trägt vorteilhaft zur Reduzierung der Verdrängungseffekte in der elektrischen Wicklung bei.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine weisen die Nuten eine Öffnung zum Luftspalt auf.

Alternativ weisen die Nuten keine Öffnung zum Luftspalt auf. Außerdem kann die Form der Nuten zum Luftspalt schmaler werden oder abgerundet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine weist mindestens eine erste Nut eine Öffnung zum Luftspalt auf und mindestens eine zweite Nut keine Öffnung zum Luftspalt auf. Es ist also möglich, dass einige Nuten eine Öffnung zum Luftspalt aufweisen und einige andere Nuten keine Öffnung zum Luftspalt aufweisen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine ist das zweite Material durch Luft gebildet oder das zweite Material ist verschieden von Luft und/oder umfasst Kunststoff oder Edelstahl. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das zweite Material Zinn, Bronze, Titan, Flüssigkeiten oder Gase umfassen. Falls das zweite Material kompressibel ist, kann es unterschiedliche Wärmeausdehnungen des ersten Materials und des Materials des Stators ausgleichen. Die geometrische Form des zweiten Materials kann in diesem Fall so gewählt sein, dass die unterschiedliche Wärmeausdehnung des ersten Materials und des Materials des Stators nicht zu mechanischen Spannungen führt oder nur zu geringen

mechanischen Spannungen führt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine weist der Randbereich, in dem sich das zweite

Material befindet, eine asymmetrische Form bezüglich einer Radialachse des Stators auf. Der Randbereich kann

beispielsweise eine schräge Form aufweisen. Der Randbereich kann beispielsweise für eine radiale Richtung einen größeren Anteil der Nut ausfüllen als für eine andere radiale

Richtung. Eine asymmetrische Form des Randbereichs ist vorteilhaft für elektrische Maschinen mit fester oder

überwiegend konstant bleibender Drehrichtung. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Rotor, welcher eine Vielzahl von Nuten

aufweist und an einen Luftspalt angrenzt. Der Rotor kann beispielsweise durch einen Käfigläufer gebildet sein. Der Rotor kann ein Rotorblech umfassen, in welches die Nuten eingebracht sind. Der Luftspalt kann beispielsweise zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine ein erstes Material mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, wobei das erste Material die Nuten jeweils teilweise, aber nicht vollständig, ausfüllt. Das erste

Material kann also Leiterabschnitte oder elektrische

Windungen in den Nuten bilden und es kann beispielsweise durch Stäbe oder andere Wicklungsarten, zum Beispiel Spulen, gebildet sein. Das erste Material kann elektrisch leitfähig sein und beispielsweise Kupfer oder Aluminium umfassen. Das erste Material kann auch andere Materialien oder Legierungen mit einer elektrischen Leitfähigkeit von bevorzugt mindestens 14 Mega Siemens pro Meter umfassen. Das erste Material kann para- oder diamagnetisch sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine ein zweites Material mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, welche geringer als die erste elektrische Leitfähigkeit ist. Das zweite Material kann beispielsweise Zinn, Bronze, Titan, Edelstähle, Kunststoffe, Flüssigkeiten oder Gase umfassen. Die zweite elektrische Leitfähigkeit kann kleiner als 10 Mega Siemens pro Meter sein. Außerdem kann das zweite Material para- oder diagmagnetisch sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine ist ein drittes Material in den Nuten so angeordnet, dass das erste Material elektrisch vom Material des Rotors isoliert ist. Das dritte Material kann beispielsweise eine Nutisolation umfassen. Das dritte Material kann

beispielsweise Kunststoffe, Polyimide, organische und nicht ^¬ organische Materialien umfassen. Das dritte Material kann das erste Material beispielsweise umgeben. Es ist jedoch nicht nötig, dass das dritte Material das erste Material in den Nuten vollständig umgibt. Das Material des Rotors kann beispielsweise ein Rotorblech umfassen. In das Rotorblech können die Nuten des Rotors eingebracht sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine füllt das zweite Material ausschließlich einen

Randbereich der Nuten aus und der Randbereich befindet sich auf einer dem Luftspalt zugewandten Seite in den Nuten. Das zweite Material befindet sich also nicht in einem Bereich der Nuten, welcher sich nicht auf der dem Luftspalt zugewandten Seite befindet. Die geometrische Form des zweiten Materials in den Nuten ist beliebig. Die geometrische Form des zweiten Materials kann so gewählt sein, dass ein Teil des

Nutenquerfeldes das erste Material in der Nut nicht mehr durchdringt .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine ist das erste Material in den Nuten auf einer ersten Seite des Rotors elektrisch leitend miteinander verbunden. Das erste Material in den Nuten kann beispielsweise durch einen Kurzschlussring auf der ersten Seite des Rotors

miteinander verbunden sein. Somit sind die Stäbe oder

elektrischen Windungen so miteinander verbunden, dass sie miteinander einen Kurzschluss bilden. Der Kurzschlussring kann nur das erste Material miteinander verbinden oder den gesamten Bereich der Nuten, also auch das zweite Material.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Rotor, das erste, das zweite und das dritte Material .

Durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des zweiten Materials wird der Nutenquerfluss in den Nuten im Bereich nahe zum Luftspalt verhindert oder erschwert.

Außerdem werden die Stromdichten der Wirbelströme wegen der geringeren elektrischen Leitfähigkeit des zweiten Materials reduziert. Somit kann die Stromverdrängung im Bereich der Nuten reduziert werden und es ergeben sich geringere Verluste im Betrieb der elektrischen Maschine. Daher ergibt sich auch ein besserer Wirkungsgrad.

Falls das zweite Material zusätzlich kompressibel ist, kann die unterschiedliche thermische Ausdehnung des ersten

Materials und des Materials des Rotorblechs durch das zweite Material ausgeglichen werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine beträgt die zweite elektrische Leitfähigkeit

höchstens 10 Prozent der ersten elektrischen Leitfähigkeit. Die geringere elektrische Leitfähigkeit des zweiten Materials trägt vorteilhaft zur Reduzierung der Verdrängungseffekte in der elektrischen Wicklung bei. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine weisen die Nuten eine Öffnung zum Luftspalt auf. Alternativ weisen die Nuten keine Öffnung zum Luftspalt auf. Außerdem kann die Form der Nuten zum Luftspalt schmaler werden oder abgerundet sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine weist mindestens eine erste Nut eine Öffnung zum Luftspalt auf und mindestens eine zweite Nut keine Öffnung zum Luftspalt auf. Es ist also möglich, dass einige Nuten eine Öffnung zum Luftspalt aufweisen und einige andere Nuten keine Öffnung zum Luftspalt aufweisen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine ist das zweite Material durch Luft gebildet oder da zweite Material ist verschieden von Luft und/oder umfasst Kunststoff oder Edelstahl. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das zweite Material Zinn, Bronze, Titan, Flüssigkeiten oder Gase umfassen. Falls das zweite Material kompressibel ist, kann es unterschiedliche Wärmeausdehnungen des ersten Materials und des Materials des Rotors ausgleichen. Die geometrische Form des zweiten Materials kann in diesem Fall so gewählt sein, dass die unterschiedliche Wärmeausdehnung des ersten Materials und des Materials des Rotors nicht zu mechanischen Spannungen führt oder nur zu geringen

mechanischen Spannungen führt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen

Maschine weist der Randbereich, in dem sich das zweite

Material befindet, eine asymmetrische Form bezüglich einer Radialachse des Rotors auf. Der Randbereich kann

beispielsweise eine schräge Form aufweisen. Der Randbereich kann beispielsweise für eine radiale Richtung einen größeren Anteil der Nut ausfüllen als für eine andere radiale

Richtung. Eine asymmetrische Form des Randbereichs ist vorteilhaft für elektrische Maschinen mit fester oder

überwiegend konstant bleibender Drehrichtung.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine den Stator und den Rotor, wobei der Rotor auf der dem Stator abgewandten Seite des Luftspaltes angeordnet ist.

Im Folgenden wird die hier beschriebe elektrische Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Figur 1A zeigt einen Ausschnitt eines beispielhaften

Statorblechschnittes mit einer geschlossenen Nut. Figur 1B zeigt einen Ausschnitt eines beispielhaften

Statorblechschnittes mit einer offenen Nut.

Figur 2 zeigt beispielhaft zwei Nuten, welche vollständig mit einem ersten Material gefüllt sind.

Figur 3 zeigt beispielhaft geschlossene Nuten in einem Stator und einem Rotor, welche vollständig mit einem ersten Material gefüllt sind. Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines

Ausführungsbeispiels mit offenen Nuten im Stator und Rotor.

Figur 5 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines

Ausführungsbeispiels mit geschlossenen Nuten im Stator und im Rotor .

Figur 6 zeigt ein exemplarisches Nutenquerfeld in einem

Querschnitt eines Ausführungsbeispiels. Figur 7 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels mit geschlossenen Nuten. Figur 1A zeigt einen Ausschnitt von einem Querschnitt eines beispielhaften Statorblechs 13 mit einer geschlossenen Nut 14. In der Nut 14 befinden sich das erste Material 15, das zweite Material 16 und das dritte Material 19. Das erste Material 15 kann einem Stab der elektrischen Wicklung mit beispielsweise rundem, elliptischem oder eckigem Querschnitt entsprechen und füllt die Nut 14 nicht vollständig aus. Das zweite Material 16 befindet sich ausschließlich in einem Randbereich 20 der Nut 14, wobei sich der Randbereich 20 auf der dem Luftspalt 17 zugewandten Seite in der Nut 14

befindet. Das dritte Material 19 ist so angeordnet, dass es das erste Material 15 elektrisch vom Statorblech 13 isoliert.

Figur 1B zeigt einen Ausschnitt von einem Querschnitt durch ein beispielhaftes Statorblech 13 mit einer Nut 14, welche eine Öffnung 18 zum Luftspalt 17 aufweist. In der Nut 14 sind das erste Material 15, das zweite Material 16 und das dritte Material 19 angeordnet.

Figur 2 zeigt beispielhaft zwei Nuten 14, welche in einem Rotorblech 21 angeordnet sind und welche Öffnungen 18 zum

Luftspalt 17 aufweisen. Das erste Material 15 füllt die Nuten 14 vollständig aus. Diese Bauform ist üblich für

Kurzschlussläufer in Asynchronmaschinen. Figur 3 zeigt beispielhaft geschlossene Nuten 14 in einem

Statorblech 13 und einem Rotorblech 21. Das erste Material 15 füllt die Nuten 14 vollständig aus. Da die Nuten 14 keine Öffnung 18 zum Luftspalt 17 aufweisen, sind die Oberwellen des Nutenquerfeldes gedämpft.

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels mit Nuten 14 in einem Statorblech 13 und einem Rotorblech 21. Die Nuten 14 weisen Öffnungen 18 zum Luftspalt 17 auf. In den Nuten 14 befinden sich das erste Material 15, das zweite Material 16 und das dritte Material 19. Das erste Material 15 füllt die Nuten 14 nicht

vollständig aus und das zweite Material 16 befindet sich ausschließlich in einem Randbereich 20 der Nuten 14, welcher sich auf der dem Luftspalt 17 zugewandten Seite in den Nuten 14 befindet. Das dritte Material 19 ist so angeordnet, dass das erste Material 15 elektrisch gegen das Statorblech 13 isoliert ist. Im dargestellten Statorblech 13 kann das zweite Material 16 beispielsweise Luft umfassen. In diesem Fall können die Nuten 14 offen zum Luftspalt 17 ausgebildet sein. Die Form der Nuten 14 kann zum Luftspalt 17 hin abgerundet oder schmaler sein. Das Statorblech 13 und das Rotorblech 21 können durch gestapelte Bleche mit Nuten 14 gebildet sein.

Figur 5 zeigt einen Ausschnitt von einem Querschnitt von einem Ausführungsbeispiel mit geschlossenen Nuten 14 in einem

Statorblech 13 und einem Rotorblech 21. Die Nuten 14 weisen also keine Öffnung 18 zum Luftspalt 17 auf.

Figur 6 zeigt beispielhaft ein Nutenquerfeld in einem Stator 11 und einem Rotor 12. Der Stator 11 und der Rotor 12 weisen geschlossene Nuten 14 auf. Im Rotor 12 sind die Nuten 14 vollständig mit dem ersten Material 15 gefüllt. Im Stator 11 sind die Nuten 14 teilweise mit dem ersten Material 15 und teilweise mit dem zweiten Material 16 gefüllt. In allen Nuten 14 im Stator 11 und im Rotor 12 ist das dritte Material 19 so angeordnet, dass das erste Material 15 elektrisch vom Stator- und Rotorblech 13, 21 isoliert ist. In den Nuten 14 im Rotor 12 durchdringt das Nutenquerfeld das erste Material 15 über den gesamten Bereich der Nuten 14. In den Nuten 14 im Stator 11 durchdringt das Nutenquerfeld das erste Material 15 nicht vollständig, da sich das zweite Material 16 nahe dem

Luftspalt 17 in den Nuten 14 befindet. Das zweite Material 16 in den Nuten 14 kann also den Nutenquerfluss erschweren und die lokal erhöhten Stromdichten verringern. Somit kann ein besserer Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 10 erreicht werden .

Figur 7 zeigt einen Ausschnitt von einem Querschnitt von einem weiteren Ausführungsbeispiel mit Nuten 14 im Stator 11 und im Rotor 12. In den Nuten 14 befinden sich das erste

Material 15, das zweite Material 16 und das dritte Material 19. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Randbereich 20, in dem sich das zweite Material 16 befindet, eine

asymmetrische Form bezüglich einer Radialachse des Stators 11 auf. Der Randbereich 20 kann also geschrägt ausgebildet sein. Der Randbereich 20 kann auch andere asymmetrische Formen aufweisen. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft für Maschinen mit fester oder überwiegend konstant bleibender Drehrichtung .

Bezugs zeichenliste

10: Elektrische Maschine

11: Stator

12 : Rotor

13: Statorblech

14: Nut

15: erstes Material

16: zweites Material

17 : Luftspalt

18: Öffnung

19: drittes Material

20: Randbereich

21: Rotorblech