Elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, welche einen ringförmigen Stator und einen innerhalb des Stators angeordneten Rotor aufweist

Eine derartige elektrische Maschine wird beispielsweise bei einem elektrischen Verdichter eines Turboladers einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Ein Verdichter, der zur Aufladung der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, muss aufgrund des Wir ^¬ kungsgrades der Aerodynamik bei sehr hohen Drehzahlen betrieben werden. Diese liegen in einem Bereich von etwa 70000 Umdrehungen pro Minute bis zu 150000 Umdrehungen pro Minute.

Es ist bereits bekannt, die Statorwicklung einer elektrischen Maschine als konzentrierte Wicklung auszuführen, bei welcher die Spulen jeweils um einen Statorzahn gewickelt sind. Dies er- möglicht eine kompakte Bauweise, erzeugt aber ein räumlich betrachtet stark oberwellenhaltiges Statormagnetfeld. Dieses wiederum bewirkt hohe ohmsche Verluste im Rotor der elektrischen Maschine durch Wirbelströme. Es ist auch bereits bekannt, die Statorwicklung einer

elektrischen Maschine als verteilte Wicklung zu realisieren. Eine derartige verteilte Wicklung bildet einen Sinus besser nach als eine konzentrierte Wicklung. Bei einer Realisierung der Statorwicklung als verteilte Wicklung sind die Wirbelströme deutlich reduziert. Allerdings werden verteilte Wicklungen üblicherweise mittels der Einziehtechnik hergestellt oder mittels der sogenannten Hairpin-Technik aus Einzelleitern gesteckt und anschließend verschweißt. In beiden vorgenannten Fällen wird vergleichsweise viel Platz für die Wickelköpfe benötigt, da die Leiter beim Wicklungsaufbau aneinander vor ^¬ beigeführt werden müssen. Aus der DE 10 2013 207 469 AI ist eine elektrische Maschine bekannt, die einen ringförmigen Stator und einen innerhalb des Stators angeordneten Rotor aufweist. Der Stator weist ein Statoreisen auf. Dieses wiederum weist ein Statorjoch und Statorzähne auf. Ferner hat der Stator eine Statorwicklung, die toroidförmig um das Statorjoch verläuft, wobei das Statorjoch zur Aufnahme der Statorwicklung eine am Innenumfang des Statorj ochs vorgesehene Innennut und eine am Außenumfang des Statorj ochs vorgesehene Außennut aufweist. Des Weiteren ist an der

Statorwicklung ein Verguss derart vorgesehen, dass die

Statorwicklung durch den Verguss thermisch an das Statoreisen angebunden ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einen ringförmigen Stator und einen innerhalb des Stators angeordneten Rotor aufweisende elektrische Maschine anzugeben, bei welcher die Rotormagnetverluste reduziert sind.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung weist einen ringförmigen Stator und einen innerhalb des Stators angeordneten Rotor auf, wobei der Stator in Umfangsrichtung eine Vielzahl von Statorsegmenten enthält, wobei jedes der Statorsegmente eine oder mehrere in der Nähe des Innenumfangs des Statorsegments angeordnete Innennuten und ein in der Nähe des Außenumfangs des Statorsegments angeordnetes Wickelfenster aufweist, wobei eine Statorwicklung toroidförmig um das Statorsegment gewickelt ist und wobei das Wickelfenster an seiner radialen Außenseite von Statorsegmentaußenarmen derart teilweise umgeben ist, dass im Bereich zwischen den Statorsegmentaußenarmen ein radial ge- richteter, vom Wickelfenster bis zum Außenumfang des Statorsegments reichender Außenspalt gebildet ist. Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die Wicklungsinduktivität, die mit dem Rotor der elektrischen Maschine verkoppelt ist, klein gehalten werden kann, so dass der Rotor im Vergleich zum Stand der Technik nur kleineren Oberwellenamplituden des Statormagnetfeldes ausgesetzt ist. Diese Vorteile der Erfindung werden dadurch ermöglicht, dass durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale die außerhalb des Stators verlaufenden Rückleiter der Statorwicklung dazu genutzt werden, eine zusätzliche Induktivität bereitzustellen, deren B-Feld unabhängig vom Rotor ist , d.h. einen Weg nimmt, der nicht am Rotor entlang und auch nicht durch diesen hindurch führt. Durch eine geeignete Wahl der Länge und der Breite des im Anspruch 1 angegebenen Außenspalts, der zwischen den beiden Statorseg- mentaußenarmen vorgesehen ist und sich in Radialrichtung erstreckt, kann in vorteilhafter Weise die gewünschte Induktivität eingestellt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele für die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 eine Skizze zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels für eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung,

Figur 2 eine Skizze zur Veranschaulichung eines zweiten

Ausführungsbeispiels für eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung,

Figur 3 eine Skizze zur Veranschaulichung eines dritten

Ausführungsbeispiels für eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung,

Figur 4 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Ausführungsform der Erfindung und Figur 5 eine Skizze zur Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform für die Erfindung.

Die Figur 1 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels für eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung .

Die in der Figur 1 gezeigte elektrische Maschine 1 weist einen ringförmigen Stator 2 und einen innerhalb des Stators ange- ordneten Rotor 3 auf. Der Stator 2 weist in Umfangsrichtung eine Vielzahl von Statorsegmenten 4 auf. Jedes dieser Statorsegmente 4 ist einer der Phasen U, V oder W des Wechselstromsystems zugeordnet. Folglich sind in der Figur 1 die Statorsegmente mit dem Buchstaben U, V oder W bezeichnet. Jedes dieser Stator- Segmente 4 weist beim gezeigten Ausführungsbeispiel zwei im Bereich des Innenumfangs 5 des jeweiligen Statorsegments an ^¬ geordnete Innennuten 7 auf, die sich jeweils in Radialrichtung erstrecken. Des Weiteren weist jedes der Statorsegmente 4 im Bereich seines Außenumfangs 6 ein Wickelfenster 8 auf, dessen Längsrichtung sich in Umfangsrichtung des Stators erstreckt. Die Innennuten 7 und das Wickelfenster 8 jedes Statorsegments 4 dienen zur Aufnahme der Statorwicklung, welche toroidförmig um das jeweilige Statorsegment gewickelt ist. Das Wickelfenster 8 eines jeden Statorsegments 4 ist an seiner radialen Außenseite von Statorsegmentaußenarmen 10 derart teilweise umgeben, dass zwischen den Statorsegmentaußenarmen 10 ein radial gerichteter, sich vom Wickelfenster 8 bis zum Außenumfang 6 des jeweiligen Statorsegments 4 erstreckender Außenspalt 11 gebildet ist.

Die Länge und die Breite dieses Außenspalts 11 sind so gewählt, dass im Bereich außerhalb des Stators ein zusätzlicher Mag ^¬ netkreis gebildet ist, der eine vorgegebene, durch die Länge und die Breite des Außenspalts 11 bestimmte Induktivität aufweist. Folglich kann durch eine geeignete Wahl der Länge und der Breite des Außenspalts 11 außerhalb des Stators ein Magnetfeld ge ^¬ wünschter Größe aufgebaut werden. Dieses außerhalb des Stators gebildete Magnetfeld hat keinen Einfluss auf den innerhalb des Stators 2 angeordneten Rotor 3 der elektrischen Maschine, so dass das B-Feld bzw. die zugehörigen Oberwellenamplituden des zusätzlichen Magnetfeldes keine unerwünschten Auswirkungen auf den Rotor haben.

Bei dem in der Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Außenspalt 11 ausgehend von dem in Um- fangsrichtung mittleren Bereich des Wickelfensters 8 radial nach außen bis zum Außenumfang 6 des jeweiligen Statorsegments 4. Folglich weisen bei diesem Ausführungsbeispiel die Stator- segmentaußenarme 10 in Umfangsrichtung des jeweiligen Statorsegments 4 dieselbe Länge auf. Bei der in der Figur 1 dargestellten elektrischen Maschine 1 handelt es sich um eine vierpolige Maschine, für welche ein Stator 2 verwendet wird, der an seinem Innenumfang 5 insgesamt 24 Innennuten 7 aufweist. Dieser Stator hat insgesamt 12 Sta ^¬ torsegmente 4. Vier dieser Statorsegmente sind der Phase U, vier weitere der Statorsegmente der Phase V und die vier verbleibenden Statorsegments der Phase W zugeordnet. Jedes Statorsegment 4 hat zwei Innennuten 7 und ein Wickelfenster 8, wobei die dem jeweiligen Statorsegment zugehörige Statorwicklung toroidförmig um das Statorsegment gewickelt ist, wobei das Wickelfenster derart dimensioniert ist, dass es im Vergleich zu den beiden Innennuten des Statorsegments die doppelte Anzahl von Leitern aufnehmen kann.

Aufgrund des außerhalb des Stators gebildeten zusätzlichen Magnetkreises kann das innerhalb des Stators gebildete

Statormagnetfeld, das mit dem Rotor der elektrischen Maschine verkoppelt ist, klein gehalten werden, so dass der Einfluss der Oberwellenamplituden von dem innerhalb des Stators gebildeten Magnetfeld auf den Rotor niedrig gehalten ist.

Die Figur 2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung . Auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Stator in Umfangsrichtung eine Vielzahl von Statorsegmenten auf. Jedem dieser Statorsegmente ist bei diesem Ausführungsbeispiel aber im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel nur eine im Bereich des Innenumfangs des Statorsegments angeordnete Innennut 7 zugeordnet. Im Bereich des Außenumfangs des jeweiligen Sta ^¬ torsegments weist jedes Statorsegment ein Wickelfenster 8 auf. Auch hier ist die dem jeweiligen Statorsegment zugehörige Statorwicklung toroidförmig um das Statorsegment gewickelt. Des Weiteren ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel das Wickel ^¬ fenster 8 an seiner radialen Außenseite von Statorsegmentau- ßenarmen 10 derart teilweise umgeben, dass zwischen den Sta- torsegmentaußenarmen ein radial gerichteter, sich vom Wi- ckelfenster 8 bis zum Außenumfang 6 des jeweiligen Statorsegments erstreckender Außenspalt 11 gebildet ist.

Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel auch dadurch, dass die Innennuten 7 des jeweiligen Statorsegments 4 nicht direkt am Innenumfang 5 des jeweiligen Statorsegments 4 enden, sondern von diesem Innenumfang 5 beabstandet sind. So sind diese Innennuten an ihrer radialen Innenseite von Statorsegmentin- nenarmen 13 derart teilweise umgeben, dass zwischen den Sta- torsegmentinnenarmen 13 ein radial gerichteter, sich von der Innennut 7 bis zum Innenumfang 5 des jeweiligen Statorsegments 4 erstreckender Innenspalt 14 gebildet ist.

Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass am Innenumfang des Stators in Umfangsrichtung nur kleine Reluktanzunterschiede auftreten. Dadurch entstehen geringere Verluste im Rotor.

Des Weiteren ist aus der Figur 2 ersichtlich, dass bei diesem Ausführungsbeispiel der Innenspalt 14 in seinem Übergangsbereich zur Innennut 7 des jeweiligen Statorsegments in Umfangsrichtung aufgeweitet ist. Die Figur 3 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung eines dritten Ausführungsbeispiels für eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung. Dieses dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der Figur 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass der Außenspalt 11 in seinem Übergangsbereich zum Außenumfang 6 des Statorsegments 4 in Um- fangsrichtung aufgeweitet ist. Diese Aufweitung in Umfangs- richtung hat den Vorteil, dass die Durchflutung des den Stor umgebenden, elektrisch leitfähigen Gehäusematerials reduziert ist. Dadurch sind auch die Wirbelstromverluste reduziert.

Die Figur 4 zeigt eine Skizze zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung.

In dieser Skizze ist ein Teil des Stators 2 der elektrischen Maschine 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist ebenso wie bei dem in der Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel jedes Statorsegment zwei im Bereich des Innenumfangs des Statorsegments angeordnete Innennuten 7 und ein im Bereich des Außenumfangs des Statorsegments angeordnetes Wickelfenster 8 auf. Auch bei dieser Ausführungsform ist das Wickelfenster 8 an seiner radialen Außenseite von Statorsegmentaußenarmen 10 derart teilweise umgeben, dass zwischen den Statorsegmentaußenarmen ein radial gerichteter, sich vom Wickelfenster 8 bis zum Außenumfang 6 des jeweiligen Statorsegments erstreckender Außenspalt ge ^¬ bildet ist. Im Unterschied zu dem in der Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind bei der in der Figur 4 gezeigten Ausführungsform die Statorsegmentaußenarme 10 umklappbar ausgebildet, wobei die Statorsegmentaußenarme 10 in der Figur 4 in einer ersten Endposition gezeigt sind. Diese erste Endposition ist die aufgeklappte Position der Statorsegmentaußenarme. In dieser aufgeklappten Position der Statorsegmentaußenarme 10 ist das Wickelfenster 8 freigegeben, so dass der Wickelvorgang der Statorwicklung vereinfacht ist. In seiner nicht in der Figur 4 dargestellten zweiten Endposition sind die Statorsegmentaußenarme 10 in ihrer zugeklappten Position. In dieser zugeklappten Endposition der Statorsegmentaußenarme 10 ist der sich vom Wickelfenster 8 radial nach außen erstreckende Außenspalt 11 freigehalten .

Eine umklappbare Ausgestaltung der Statorsegmentaußenarme ist auch bei erfindungsgemäßen elektrischen Maschinen verwendbar, die pro Statorsegment eine andere Anzahl von Innennuten auf ^¬ weisen .

Die Figur 5 zeigt eine Skizze einer anderen Ausführungsform für die Erfindung.

Diese in der Figur 5 veranschaulichte andere Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel. Bei dieser anderen Ausführungsform weist ebenso wie bei dem in der Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel jedes Statorsegment zwei im Bereich des In- nenumfangs des Statorsegments angeordnete Innennuten 7 und ein im Bereich des Außenumfangs des Statorsegments angeordnetes Wickelfenster 8 auf. Auch bei dieser anderen Ausführungsform ist das Wickelfenster 8 an seiner radialen Außenseite von Sta- torsegmentaußenarmen derart teilweise umgeben, dass zwischen den Statorsegmentaußenarmen ein radial gerichteter, sich vom Wickelfenster bis zum Außenumfang des jeweiligen Statorsegments erstreckender Außenspalt gebildet ist.

Im Unterschied zu dem in der Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel und auch im Unterschied zu der in der Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind bei der in der Figur 5 gezeigten anderen Ausführungsform auf die Statoraußenarme Brücken 12 aufgesetzt. Diese Brücken 12 sind derart ausgebildet, dass der sich vom Wickelfenster bis zum Außenumfang des jeweiligen Statorsegments erstreckende Außenspalt freigehalten ist. Die Brücken 12 bestehen vorzugsweise aus Eisenpulver- oder

MPP-Kernmaterial .

Ein weiterer Unterschied dieser anderen Ausführungsform zu dem in der Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel und auch zu der in der Figur 4 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass die Statorsegmente im Bereich zwischen den Innennuten 7 und dem Wickelfenster 8 einen Eisenpulver- oder MPP-Kern aufweisen. Dadurch werden die Verluste der elektrischen Maschine reduziert. Eine Verwendung eines derartigen Eisenpulver- oder MPP-Kerns im Bereich zwischen den Innennuten 7 und dem Wickelfenster 8 ist auch bei erfindungsgemäßen elektrischen Maschinen verwendbar, die pro Statorsegment eine andere Anzahl von Innennuten auf ^¬ weisen .

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die elektrische Maschine im Bereich des Innenumfangs der Stator ^¬ segmente mit einer als Sensorwicklung dienenden Zusatzwicklung auszustatten. Bei dieser Zusatzwicklung handelt es sich vor- zugsweise um eine aus einem sehr dünnen Draht bestehende verteilte Wicklung.

Bei der Statorwicklung kann es sich um eine in einem Zug gewickelte Spule handeln. Alternativ dazu kann es sich bei der Statorwicklung auch um eine nicht in einem Zug gewickelte Spule handeln .

Des Weiteren kann die Statorwicklung in Form einer Dreieckschaltung oder einer Sternschaltung realisiert sein.

Bei der elektrischen Maschine kann es sich um eine vierpolige oder um eine zweipolige elektrische Maschine handeln.

Die Segmente des Stators können unter Verwendung der Schwal- benschwanztechnik miteinander verbunden sein. Alternativ dazu ist es auch möglich, die Segmente des Stators miteinander zu verschweißen. Eine weitere Alternative besteht darin, die Segmente des Stators mittels eines KunststoffSpritzgusses miteinander zu verbinden. Alternativ dazu kann anstelle einer Schwalbenschwanzverbindung auch eine beliebige andere „Puzzle-Geometrie" zur Verbindung der Statorsegmente verwendet werden . Der komplette Stator kann in vorteilhafter Weise zur besseren Entwärmung von einem Verguss aus einem wärmeleitfähigen Material umschlossen werden.

Des Weiteren kann zwischen benachbarten Statorsegmenten jeweils eine Isolationsschicht eingebracht sein, um ein Auftreten von Kurzschlüssen zwischen benachbarten Blechlagen sowie ein Auftreten von Wirbelströmen zu vermeiden.