Stator, elektrische Maschine, Luftfahrzeug mit einer elektri schen Maschine und Verfahren zur Herstellung eines Stators

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Ma schine, aufweisend einen Statorj ochring zur Aufnahme von Statorspulen. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elekt rische Maschine mit einem derartigen Stator sowie ein Luft fahrzeug 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 Syn chronmaschinen mit konzentrierten Statorwicklungen, kann im Fall eines Isolationsfehlers (z.B. durch einen Windungs schluss) der beschädigte Spulenkörper aufgrund der Polgeomet rie nur mit hohem technischen Aufwand ersetzt werden. Auch besteht beim klassischen Wickelprozess konzentrierter Wick lungen um Einzelpole (d.h. die Leiter einer Spule werden di rekt 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 Anforde rungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit sowie der Verfügbar keit 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 Beschädi gungsrisiko von umliegenden Bauteilen gelöst werden. Bei Statoren, die sich aus mehreren Einzelpolen zusammenset zen, 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 aufwands arm 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. Vorteil hafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen ange geben .

Erfindungsgemäß wird der Statorpol oder werden Teile des Statorpols austauschbar ausgebildet, d.h. diese sind lösbar mit dem Statorj ochring verbindbar, wobei aus radialer Rich tung (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 Statorj ochring zur Aufnahme von

Statorspulen aufweist. Mindesten eine

Statorspulenträgereinheit (= Statorpol) zur Aufnahme von Spu lenwindungen ist vorgesehen. Die Statorspulenträgereinheit ist im Ganzen oder mit einer Teileinheit (= erstes Spulenkör- perelement) lösbar auf den Statorj ochring aus radialer Rich tung gesteckt.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass einerseits eine Repa ratur 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 gescho ben werden können. Dies bietet den Vorteil, dass die Möglich keit einer Verletzung der Isolierung von Spulenwicklungen verringert wird.

In einer weiteren Ausprägung kann der Stator mindestens ein Verbindungselement aufweisen, das die

Statorspulenträgereinheit in dem Statorj ochring fixiert.

Der Stator kann des Weiteren aufweisen:

eine durchgängige prismenförmige erste Öffnung oder durch gängige Aussparung in der Statorspulenträgereinheit und eine durchgängige prismenförmige zweite Öffnung in dem Statorj ochring,

wobei das Verbindungselement derart prismenförmig ausge bildet ist, durch Einführen in die erste und die zweite Öffnung die Statorspulenträgereinheit in dem

Statorj ochring 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

Statorj ochring 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 er findungsgemäßen 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 Herstel lung eines erfindungsgemäßen Stators mit den Schritten:

Bereitstellen des Statorj ochrings ,

Bereitstellen von Statorspulenträgereinheiten,

Herstellen der Luftspulen,

Schieben der Luftspulen auf die

Statorspelenträgereinheiten,

Einfügen der Statorspelenträgereinheiten in den

Statorj ochring und

Fixieren der Statorspulenträgereinheiten durch Einführen der Verbindungselemente in die ersten und zweiten Öffnun gen .

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

Schritten :

Bereitstellen des Statorj ochrings ,

Bereitstellen von Statorspulenträgereinheiten,

Herstellen der Luftspulen,

Schieben der Luftspulen auf die mit dem Statorj ochring verbundenen Teileinheiten (= zweite Spulenkörperelemente) der Statorspulenträgereinheiten, Einfügen der Teileinheiten durch die Luftspulen hindurch in den Statorj ochring und

Fixieren der Teileinheiten durch Einführen der Verbin dungselemente 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:

Fig. 1 und Fig. 2: Querschnitte eines Teils eines Stators, Fig. 3 und Fig. 4:

Schrägansichten eines Teils eines Stators,

Fig. 5 und Fig. 6:

Querschnitte eines Statorj ochrings mit Statorpolen,

Fig. 7 und Fig. 8:

Querschnitte eines Teils eines Stators,

Fig. 9 und Fig. 10:

Schrägansichten eines Teils eines Stators,

Fig. 11:

den zeitlichen Ablauf des Zusammenbaus,

Fig. 12 und Fig. 13:

Querschnitte eines Statorj ochrings mit Statorpolen,

Fig. 14:

ein Blockschaltbild einer elektrischen Maschine und

Fig. 15:

ein Luftfahrzeug mit einem Elektromotor.

Detaillierte Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele Fig. 1 bis Fig. 6 zeigen Darstellungen einer ersten Ausfüh rungsvariante der Erfindung. Fig. 1 und Fig. 2 zeigen jeweils eine Schnittansicht durch eine Statorspulenträgereinheit 2 und einen Teil des Statorj ochrings 1. Fig. 3 und Fig. 4 zei gen eine räumliche Ansicht einer Statorspulenträgereinheit 2 und eines Teils des Statorj ochrings 1. Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht durch einen Statorj ochring 1 und Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht durch einen Statorj ochring mit den aufge steckten Statorspulenträgereinheiten 2 sowie den Luftspulen 4.

Die Statorspulenträgereinheiten 2 (kann auch mit Statorpol bezeichnet werden) sind austauschbar und werden in eine Nut 7 des Statorj ochrings 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 Öff nung 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

Statorj ochring 1 geschoben, wodurch die

Statorspulenträgereinheit 2 fixiert wird und fest mit dem Statorj ochring 1 verbunden ist. Das Verbindungselement 4 so wie die erste und die zweite Öffnung 6 und 8 weisen einen dreieckigen Querschnitt auf, damit eine verdrehsichere Ver bindung hergestellt werden kann.

Wie in Fig. 6 zu erkennen ist, wird vor dem Einbau der

Statorspulenträgereinheit 2 eine Luftspule 4 auf diese ge schoben. Dann werden alle Statorspulenträgereinheiten 2 samt Luftspulen 4 in den Statorj ochring 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 (kei ne Einzelspulenwicklung direkt am Statorpol notwendig) ,

Reduktion der Verletzungsgefahr der elektrischen Isolie rung während des Luftspule-Wicklungsprozesses ,

Ermöglichung eines Presssitzes durch einen durchgängigen Statorj ochring im Vergleich zu einem Einzelpolstator (kei ne Toleranzkette / Setzungsvorgänge, welche zu Presssitz verlust führen und womit kein Drehmoment mehr von dem Stator auf das Statorgehäuse übertragen werden kann) und erhöhte Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit einer elektri schen Maschine während der Gesamtbetriebsdauer.

Die Fig. 7 bis Fig. 13 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Fig. 7 und Fig. 8 zeigen jeweils eine Schnitt ansicht durch eine Statorspulenträgereinheit 2 und einen Teil des Statorj ochrings 1. Fig. 9 und Fig. 10 zeigen eine räumli che Ansicht der Statorspulenträgereinheit 2 und eines Teils des Statorj ochrings 1. Fig. 11 zeigt in Schnittansichten, wie auf einen Teil des Statorj ochrings 1 die Luftspule 4 aufge schoben und fixiert wird. Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht durch einen Statorj ochring 1 und Fig. 13 zeigt eine Schnitt ansicht durch einen Statorj ochring 1 mit den zusammengefügten Statorspulenträgereinheiten 2 sowie den aufgeschobenen Luft spulen 4.

Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist die

Statorspulenträgereinheit 2 längs mittig in ein erstes Spu lenkörperelement 2a und ein zweites Spulenkörperelement 2b geteilt. Das erste Spulenkörperelement 2a ist austauschbar (d.h. kann entfernt werden), wohingegen das zweite Spulenkör perelement 2b fest mit dem Statorj ochring 1 verbunden ist bzw. mit diesem einstückig ausgebildet ist.

Wie aus den Zeichnungen zu erkennen ist, wird das erste Spu lenkörperelement 2a in die Nut 7 des Statorj ochrings 1 in ra dialer Richtung R (d.h. senkrecht zu der Statorachse) gescho ben. Dazu besitzt das erste Spulenkörperelement 2a eine Nase 5, die in die Nut 7 greift. Die Nase 5 ist mit einer Ausspa rung 9 ausgestattet, in die das prismenförmige Verbindungs element 3 durch die zweite Öffnung 8 des Statorj ochrings 1 hindurch geschoben wird und so den ersten Spulenkörper 2a in der Nut 7 fixiert und flächig gegen das zweite Spulenkörper element 2b presst. Das Verbindungselement 4 sowie die Ausspa rung 9 und die zweite Öffnung 8 weisen einen dreieckigen Querschnitt auf, damit eine verdrehsichere Verbindung herge stellt werden kann.

Fig . 11 zeigt den Zusammenbau sequentiell von links nach rechts. Auf das zweite Spulenkörperelement 2b wird die Luft spule 4 geschoben und anschließend nach links (Richtung L) verschoben. Danach wird das austauschbare erste Spulenkörper element 2a in den Statorj ochring 1 in radialer Richtung R durch die Luftspule 4 hindurch eingesetzt. Abschließend wird das erste Spulenkörperelement 2a mittels des Verbindungsele ments 3 gesichert.

Vorteilhaft ist, dass die Nutquerkräfte direkt von den

Statorspulenträgereinheiten 2 auf den Statorj ochring 1 über tragen werden. Außerdem besteht der Stator aus keinen Einzel segmenten, welche aufgrund der Fehlertoleranzkette und Setz vorgänge keinen ausreichend hohen Presssitz mehr gewährleis ten können.

Vorteilhaft bei beiden Ausführungsformen ist u.a. auch, dass Luftspulen 4 verwendet werden können, die mit einer für ihre Drahtisolierung schonenderen und kostengünstigeren Wickelme- thode in einem getrennten Arbeitsgang hergestellt werden kön nen .

Fig. 14 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Maschi ne, 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 Fig. 1 bis Fig. 13 ausgebildet.

Fig. 15 zeigt ein Luftfahrzeug 13, beispielsweise ein Flug zeug, mit einem elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugan trieb. Dargestellt ist ein Elektromotor 16, der einen Propel ler 14 in Rotation versetzt. Der Elektromotor 16 wird von ei nem 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 ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Statorj ochring

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