Maschinenkomponente, insbesondere Rotor oder Stator, einer elektrischen Maschine Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Maschinenkomponente nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist schon ein Stator einer elektrischen Maschine bekannt, mit Zähnen, an denen jeweils eine elektrische Einzelzahnwicklung vorgesehen ist. An den Zähnen des Stators ist jeweils ein Trägerelement vorgesehen, das als Spulenwickelkörper ausgebildet ist. Die elektrische Maschine wird von einer externen Leistungselektronik angesteuert, die eine Gleichspannung in Wechselspannungen mit bestimmter Frequenz und bestimmter Amplitude umwandelt und diese in die entsprechenden Einzelzahnwicklungen einspeist. Durch den in die elektrischen Einzelzahnwicklungen eingeprägten Strom wird in bekannter Weise ein rotierendes magnetisches Feld erzeugt, das den Rotor der elektrischen Maschine antreibt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Maschinenkomponente mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Leistungselektronik direkt in die Maschinenkomponente integriert und im magnetisch aktiven Teil der elektrischen Maschine angeordnet ist. Dadurch werden die Herstellungskosten der elektrischen Maschine verringert und wird der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht. Außerdem kann auf diese Weise eine einfache Polumschaltung realisiert werden, so dass die elektrische Maschine zusätzlich die Funktion eines Getriebes übernehmen und ein herkömmliches Getriebe entfallen kann. Außerdem können Zwischenkreiskondensatoren der Leistungselektronik durch versetztes Takten der Phasen der elektrischen Maschine hinsichtlich ihrer Kapazität wesentlich kleiner ausgebildet werden, so dass die Herstellungskosten weiter verringert werden. Die langen Zuleitungen von der externen Leistungselektronik zu den elektrischen Wicklungen werden verkürzt, so dass die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert wird.

Diese Vorteile werden erfindungsgemäß erreicht, indem auf zumindest einem

Trägerelement elektronische Halbleiter zur Bildung einer Leistungselektronik zur Stromversorgung der zumindest einen elektrischen Wicklung ausgebildet sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte

Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen

Maschinenkomponente möglich.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Halbleiter mikroelektronische Bauelemente, insbesondere Schaltelemente, beispielsweise Leistungshalbleiterschalter, bilden. Auf diese Weise können die am jeweiligen Zahn vorgesehenen Halbleiter eine

Leistungselektronik bilden. Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfassen die Halbleiter Carbon-Nanotubes, Graphen, Silicium, Molybdän(IV)-sulfid oder eine Mischung von Carbon-Nanotubes und Graphen. Dies hat den Vorteil, dass eine erhöhte Leitfähigkeit der elektrischen Leiter in der elektrischen Maschine erreicht wird und eine geringere Wärmeentwicklung in der elektrischen Maschine auftritt, so dass weniger Kühlleistung erforderlich ist.

Sehr vorteilhaft ist es, wenn das Trägerelement jeweils zwei Trägeranschlüsse zur Verbindung der Halbleiter mit einer Gleichstrom- oder Wechselstromquelle aufweist, wobei die Halbleiter die Gleichspannung bzw. die Wechselspannung in eine bestimmte Wechselspannung umwandeln und in die zugeordnete elektrische Wicklung einspeisen. Auf diese Weise werden die Halbleiter an eine elektrische Stromquelle derart angeschlossen, dass das gewünschte Drehmoment entsteht.

Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn das Trägerelement aus einem Halbleitermaterial, insbesondere monokristallines Silizium, Siliciumcarbid, Galliumarsenid oder

Indiumphosphid, hergestellt ist. Auf diese Weise können die Halbleiter auf dem

Trägerelement hergestellt werden. Das Trägerelement dient dadurch als Substrat für die elektronischen Bauelemente, beispielsweise für integrierte Schaltkreise.

Vorteilhaft ist, wenn die elektrische Wicklung eine Einzelzahnwicklung ist, die als auf dem Trägerelement ausgebildete, um den jeweiligen Zahn herum verlaufende elektrische Leiterbahn oder als um das Trägerelement und um den jeweiligen Zahn herum aufgewickelter Spulendraht ausgebildet ist. Die erste Alternative hat den Vorteil, dass die Wicklungen jeweils als Einzelspulen in das Trägerelement integriert sind und zusammen mit den Halbleitern auf dem Trägerelement herstellbar sind. Auf diese Weise ergeben sich Bauraumvorteile, da sich die in axialer Richtung vorstehenden Wickelköpfe deutlich verkleinern. Die zweite Alternative hat den Vorteil, dass gegenüber den Leiterbahnen höhere Stromstärken in den Wicklungen realisierbar sind. Bei einer Einzelzahnwicklung ist die durch die Halbleiter gebildete Leistungselektronik für jeden einzelnen Zahn vorgesehen, so dass für jede elektrische Einzelzahnwicklung eine entsprechende Wechselspannung erzeugbar ist.

Außerdem vorteilhaft ist, wenn die elektrischen Leiterbahnen zur Bildung der elektrischen Wicklung aus Carbon-Nanotubes, Graphen, Silicium, Molybdän(IV)-sulfid oder aus einer Mischung von Carbon-Nanotubes und Graphen hergestellt sind. Dies hat den Vorteil, dass eine erhöhte Leitfähigkeit der elektrischen Leiter in der elektrischen Maschine erreicht wird und eine geringere Wärmeentwicklung in der elektrischen Maschine auftritt, so dass weniger Kühlleistung erforderlich ist.

Nach einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die elektrische Wicklung eine verteilte Wicklung. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich die elektrische Maschine flexibler an Kundenwünsche anpassen lässt.

Des Weiteren vorteilhaft ist, wenn zwischen dem Trägerelement und dem jeweiligen Zahn eine Isolation vorgesehen ist. Auf diese Weise wird die Maschinenkomponente gegenüber der Leistungselektronik und der zumindest einen elektrischen Wicklung elektrisch isoliert.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn eine externe Steuerelektronik vorgesehen ist, die die Halbleiter der am Trägerelement ausgebildeten Leistungselektronik derart ansteuert, dass sich ein Drehfeld im Stator ergibt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig.l zeigt im Schnitt eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, Fig.2 eine Schnittansicht des Stators nach Fig.l gemäß einem Schnitt entlang der Linie II-II in Fig.l und

Fig.3 eine Schnittansicht des Stators nach Fig.l gemäß einem Schnitt entlang der Linie III-III in Fig.l.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig.l zeigt im Schnitt eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor. Die Erfindung umfasst zumindest eine Maschinenkomponente 1, insbesondere einen Rotor 1.1 und/oder einen Stator 1.2, einer elektrischen Maschine 2. Der Rotor 1.1 der elektrischen Maschine 2 ist um eine Drehachse 1.3 drehbar angeordnet. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine permanentmagneterregte oder elektrisch erregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine sein.

Die Maschinenkomponente 1 weist Zähne 3 und zumindest eine elektrische Wicklung 4 auf. An zumindest einem der Zähne 3 ist ein Trägerelement 5 vorgesehen, das seinen Zahn 3 umschließt oder an einer der Seitenflächen des zugeordneten Zahns 3 vorgesehen ist.

Fig.2 zeigt eine Schnittansicht des Stators nach Fig.l gemäß einem Schnitt entlang der Linie II-II in Fig.l.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf zumindest einem Trägerelement 5 elektronische Halbleiter 6 zur Bildung einer Leistungselektronik zur Stromversorgung der zumindest einen elektrischen Wicklung 4 ausgebildet sind. Das bzw. die

erfindungsgemäßen Trägerelemente 5 sind nach Fig.2 an Zähnen 3 des Stators 1.2 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich können die erfindungsgemäßen Trägerelemente 5 auch an Zähnen 3 des Rotors 1.1 ausgeführt sein.

Beispielsweise ist an jedem Zahn 3 der Maschinenkomponente 1 ein Trägerelement 5 mit den Halbleitern 6 vorgesehen. Die Halbleiter 6 bilden mikroelektronische

Bauelemente, insbesondere Schaltelemente. Die Halbleiter 6 können Carbon- Nanotubes, Graphen, Silicium oder Molybdän(IV)-sulfid umfassen und aus einer oder mehrerer dieser Komponenten hergestellt sein. Das Trägerelement 5 ist beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, insbesondere monokristallines Silizium, Siliciumcarbid, Galliumarsenid oder Indiumphosphid, hergestellt.

An dem Trägerelement 5 sind jeweils zwei Trägeranschlüsse 9 zur Verbindung der Halbleiter 6 mit einer Gleichstrom- oder Wechselstromquelle 10 vorgesehen. Die Halbleiter 6 wandeln die Gleichspannung bzw. die Wechselspannung in eine bestimmte Wechselspannung um und speisen diese zu einer von einer

Steuerelektronik 14 vorbestimmten Zeit in die zugeordnete elektrische Wicklung 4 ein. Die außerhalb der beiden Maschinenkomponenten 1,1.1,1.2 angeordnete

Steuerelektronik 14 steuert also die Halbleiter 6 der jeweiligen Trägerelemente 5 derart an, dass sich in bekannter Weise ein magnetisches Drehfeld im Stator ausbildet.

Die Halbleiter 6 weisen Anschlüsse 6.1 auf, die von elektrischen Verbindungsleitern 11 elektrisch kontaktiert sind. Die elektrischen Verbindungsleiter 11 können aus Carbon- Nanotubes, Graphen, Silicium oder Molybdän(IV)-sulfid hergestellt sein. Dies hat den Vorteil, dass eine erhöhte Leitfähigkeit der elektrischen Leiter in der elektrischen Maschine erreicht wird und eine geringere Wärmeentwicklung in der elektrischen Maschine auftritt, so dass weniger Kühlleistung erforderlich ist.

Die zumindest eine elektrische Wicklung 4 kann beispielsweise eine

Einzelzahnwicklung sein, die als auf dem Trägerelement 5 ausgebildete, um den jeweiligen Zahn 3 herum verlaufende elektrische Leiterbahn bzw. Leiterschicht oder als um das Trägerelement 5 und um den jeweiligen Zahn 3 herum aufgewickelter

Spulendraht ausgebildet ist. Nach dem Ausführungsbeispiel ist an jedem Zahn 3 ein Trägerelement 5 mit den darauf ausgeführten Halbleitern 6 und der darauf

vorgesehenen Einzelzahnwicklung 4 vorgesehen. Wenn die Wicklungen 4 jeweils als elektrische Leiterbahnen bzw. Leiterschichten ausgeführt sind, können diese aus Carbon-Nanotubes, Graphen, Silicium, Molybdän(IV)-sulfid oder aus einer Mischung von Carbon-Nanotubes und Graphen hergestellt sein. Des weiteren können die Leiterbahnen bzw. Leiterschichten und die elektronischen Halbleiter 6 in

unterschiedlichen Ebenen des Trägerelementes 5 ausgebildet sein. Dadurch wird der vorhandene Bauraum optimaler ausgenutzt, so dass der Nutfüllfaktor der elektrischen Maschine erhöht wird.

Alternativ können mehrere elektrische Wicklungen 4 vorgesehen sein, die als verteilte Wicklung ausgebildet sind und in die jeweils eine bestimmte Wechselspannung von den erfindungsgemäßen Halbleitern 6 eingespeist wird. Beispielsweise können mehrere Trägerelemente 5 benachbarter Zähne 3 miteinander elektrisch derart verschaltet sein, dass sich eine verteilte Wicklung 4 um diese benachbarten Zähne 3 herum ausbildet. Fig.3 zeigt eine Schnittansicht des Stators nach Fig.l gemäß einem Schnitt entlang der Linie III-III in Fig.l. In der Fig.3 sind in vereinfachter Weise einige Halbleiter 6 auf dem Trägerelement 5 dargestellt.

Zwischen dem Trägerelement 5 und dem jeweiligen Zahn 3 kann eine elektrische Isolation 12 vorgesehen sein. Auf diese Weise wird die Maschinenkomponente 1 gegenüber der Leistungselektronik und der zumindest einen elektrischen Wicklung 4 elektrisch isoliert.

Auf dem Trägerelement 5 kann, wie beispielhaft in Fig.3 gezeigt, jeweils eine

Vergussmasse 7 vorgesehen sein, die die Halbleiter 6 gegenüber äußeren

Einwirkungen, insbesondere gegenüber flüssigen, gasförmigen und festen Medien, schützt. Dies wird erreicht, indem die Vergussmasse 7 die Halbleiter 6 zumindest teilweise umschließt und dadurch einkapselt.