DE102005052783A1

DE102005052783A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine sowie entsprechender Stator und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102005052783A1
Application number: DE102005052783A
Authority: DE
Inventors: Gerd Stöhr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-11-05
Filing date: 2005-11-05
Publication date: 2007-05-10

Abstract

Ein Stator (1) umfasst einen Statoraußenteil (2) und einen Statorträger (3), welcher wiederum aus einem Statorträgerinnenteil (4) und einem Statorträgeraußenteil (5) gebildet sein kann. Vorteilhafterweise besitzt dabei das Material des Statorträgeraußenteils (5) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Material des Statorträgerinnenteils (4), wohingegen das Material des Statorträgerinnenteils (4) steifer und/oder härter als das Material des Statorträgeraußenteils (5) ist. Insbesondere umfasst der Statorträger (3) mäandrierende Kanäle (11), durch welche zur Kühlung ein Fluid, insbesondere mit einer turbulenten Strömung, strömt. Der Stator wird von einer elektrischen Maschine, insbesondere einem elektrischen Getriebe (20), eingesetzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine sowie einen entsprechend ausgestalteten Stator und eine elektrische Maschine, welche diesen Stator umfasst und insbesondere in Form eines elektromagnetischen Getriebes für ein Kraftfahrzeug ausgestaltet ist.
Ein elektrisches Getriebe kann, durch eine elektronische Schaltung gesteuert, im gleichen Drehsinn von einem Generator und einem Motor oder auch entgegengesetzt betrieben werden. In beiden Fällen muss der Stator zur Abstützung von Umfangskräften herangezogen werden. Bei gleicher Drehrichtung entspricht die Abstützung der Differenz der in dem Generator und dem Rotor wirkenden Umfangskräfte. Bei entgegengesetzter Drehrichtung entspricht die Abstützung hingegen der Summe der in dem Generator und dem Motor wirkenden Umfangskräfte.

Dabei ist aus der DE 100 10 028 A1 der Anmelderin bekannt, dass ein Stator vollständig aus mehreren übereinander geschichteten und miteinander verbundenen Blechlagen aufgebaut sein kann, d.h. ein Statorträger des Stators und das flussführende Material sind aus demselben geschichteten Blechpaket aufgebaut. Die einzelnen Bleche sind derart geformt, dass sie Nuten zur Aufnahme mindestens einer Statorwicklung und vorzugsweise auch Wasserkanalöffnungen sowie Öffnungen für die Lagerung und Momentenabstützung enthalten.

Elektrische Maschinen erzeugen prinzipbedingt durch die ständige Flussänderung in den flussführenden Materialien Eisenverluste (Ummagnetisierungsverluste und Wirbelströme). Daher ist es nach dem Stand der Technik üblich, dass der Stator zur Erlangung einer ausreichenden Betriebssicherheit gekühlt werden muss, wobei üblicherweise Wasser als Kühlmittel verwendet wird. Trotz der Kühlung des Stators ist nach dem Stand der Technik eine über den Stator erwirkte Wärmeabfuhr zur Ausgestaltung bestimmter elektrischer Getriebe oder Maschinen nicht ausreichend.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stator und eine mit diesem Stator ausgestaltete elektrische Maschine bereitzustellen, wobei eine Wärmeabfuhr über den Stator gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators nach Anspruch 1, einen Stator für eine elektrische Maschine nach Anspruch 6 und eine elektrische Maschine nach Anspruch 19 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine bereitgestellt, wobei der Stator aus einem Statorträger und einem Statoraußenteil zusammengesetzt wird. Dabei wird insbesondere der Statorträger aus einem Statorträgerinnenteil und einem Statorträgeraußenteil gebildet.

Indem der Stator aus mehreren Teilen ausgebildet wird, können die einzelnen Teile des Stators derart ausgestaltet werden, dass sie unterschiedliche Funktionen erfüllen. Dadurch kann beispielsweise der Statorträgeraußenteil speziell zur Wärmeabfuhr ausgestaltet werden.

Der Statorträgerinnenteil kann mittels Elektronenstrahlschweißen mit dem Statorträgeraußenteil verbunden werden.

Dadurch ist es vorteilhafter Weise möglich, dass der Statorträgerinnenteil verzugsarm mit dem Statorträgeraußenteil verbunden wird.

Der Statoraußenteil, welcher meist geblecht ist, d.h. aus mehreren Blechlagen besteht, wird insbesondere über einen Schrumpfsitz mit dem Statorträger verbunden.

Dadurch wird für einen optimalen Wärmeübergang von dem Statoraußenteil auf den Statorträger gesorgt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Stator für eine elektrische Maschine bereitgestellt, wobei der Stator einen Statoraußenteil und einen Statorträger umfasst, welcher wiederum insbesondere aus einem Statorträgerinnenteil und einem Statorträgeraußenteil ausgebildet ist.

Dadurch ist es möglich, dass das Material des Statorträgeraußenteils eine höhere, insbesondere um den Faktor 20 höhere, Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das Material des Statorträgerinnenteils. Das Material des Statorträgerinnenteils kann dagegen steifer und/oder härter als das Material des Statorträgeraußenteils sein. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das Material des Statorträgerinnenteils eine um Faktor 5 höhere Vickershärte auf als das Material des Statorträgeraußenteils.

Durch die Ausbildung des Stators aus verschiedenen Teilen und die entsprechende Materialwahl ist der Stator in der Lage, eine größere Wärmemenge abzuführen, als dies bei einem von den Abmessungen gleichwertigen Stator nach dem Stand der Technik möglich wäre. Trotzdem ist der erfindungsgemäße Stator aufgrund der Materialwahl des Statorträgerinnenteils in der Lage, auf den Stator aufgebrachte Umfangskräfte genauso gut oder besser abzustützen als dies bei dem Stator nach dem Stand der Technik möglich ist. Damit ist die Momententragfähigkeit des Stators trotz seiner guten Wärmeleitfähigkeit sehr hoch.

Der Statoraußenteil kann aus mehreren übereinander geschichteten und miteinander verbundenen Blechlagen bestehen, wie es beispielsweise aus der oben bereits erwähnten Druckschrift DE 100 10 028 A1 bekannt ist.

Hierin wird durch die übereinander geschichteten und miteinander verbundenen Blechlagen eine Kühlstruktur ausgebildet, mit deren Hilfe ein hoher Wärmeübergangskoeffizient α zwischen einem Kühlmedium und dem Stator erreicht wird.

Es ist vorteilhaft, wenn der Statorträger mindestens einen mäandrierenden bzw. im Zickzack oder in Wellenform verlaufenden Kanal aufweist, durch welchen ein Fluid (Gas und/oder Flüssigkeit), insbesondere Kühlwasser, strömt, um den Statorträger zu kühlen. Dabei kann der Statorträger derart ausgestaltet sein, dass das durch den mindestens einen mäandrierenden Kanal strömende Fluid eine turbulente Strömung aufweist.

Durch eine turbulente Strömung kann vorteilhafter Weise eine größere Wärmemenge abtransportiert werden, als mittels einer nicht turbulenten Strömung. Dabei unterstützt der mäandrierende Kanal aufgrund seiner Ausgestaltung die Ausbildung der turbulenten Strömung.

Damit stellt die Erfindung eine elektrische Maschine bereit, welche eine im Vergleich zu ihrer Leistungsfähigkeit kleine Bauform aufweist. Aufgrund der im Vergleich zum Stand der Technik hohen Wärmeübertragung bzw. hohen Wärmeleitung des Statorträgers ist somit auch die übertragbare Leistung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine höher als bei gleichgroßen nach dem Stand der Technik bekannten elektrischen Maschinen.

Die vorliegende Erfindung eignet sich vorzugsweise zum Einsatz in einem elektrischen Getriebe, bei welchem eine im Vergleich zum Stand der Technik relativ große Wärmemenge abgeführt werden muss. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt, sondern kann allgemein in jeder Art einer elektrischen Maschine eingesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden näher anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

In 1 ist dargestellt, welche Teile ein erfindungsgemäßer Stator umfasst.

2 stellt mäandrierende Nuten auf der Innenseite eines Statorträgeraußenteils des erfindungsgemäßen Stators dar.

In 3 ist schematisch ein Statorträger des erfindungsgemäßen Stators dargestellt.

4 stellt schematisch einen Statorträgerinnenteil des erfindungsgemäßen Stators dar.

5 stellt schematisch einen Statorträgeraußenteil des erfindungsgemäßen Stators dar.

6 stellt schematisch ein erfindungsgemäßes elektrisches Getriebe dar.

In 1 ist dargestellt, dass ein erfindungsgemäßer Stator 1 aus einem Statoraußenteil 2 und einem Statorträger 3 zusammengesetzt ist. Dabei ist der Statorträger 3 wiederum aus einem Statorträgerinnenteil 4 und einem Statorträgeraußenteil 5 mittels einer Schweißnaht 6 zusammengeschweißt. Mit dem Bezugszeichen 7 ist ein Ausschnitt von mäandrierenden Nuten 9 auf der Innenseite des Statorträgeraußenteil des 5 bezeichnet. Nachdem der Statorträgeraußenteil 5 auf den Statorträgerinnenteil 4 aufgebracht ist, sind diese mäandrierenden Nuten 9 Bestandteile von mäandrierenden Kanälen 11, wobei über Kühlwasserdurchlässe 8 in dem Statorträgerinnenteil 4 Kühlwasser in die Kanäle 11 und aus den Kanälen 11 gepumpt wird.

Damit der Statorträgeraußenteil 5 optimal Wärme von dem Statoraußenteil 2 abführt, umfasst das Material des Statorträgeraußenteils 5 Kupfer oder Aluminium. Somit ist die Wärmeleitfähigkeit des Statorträgeraußenteils näherungsweise um den Faktor 20 höher als die Wärmeleitfähigkeit des Statorträgerinnenteils 4, welches aus Vergütungsstahl ausgebildet ist. Dagegen weist das Material des Statorträgerinnenteils 4 eine um den Faktor 5 höhere Vickershärte auf als das Material des Statorträgeraußenteils 5, wodurch der Statorträgerinnenteil optimal in der Lage ist, auf den Stator 1 einwirkende Umfangskräfte abzustützen.

In 2 ist der Ausschnitt 7 der mäandrierenden Nuten 9 vergrößert dargestellt. Diese mäandrierenden Nuten 9 sind derart ausgestaltet, dass ein Kühlwasser, welches durch die mit Hilfe der mäandrierenden Nuten 9 ausgebildeten mäandrierenden Kanäle 11 strömt, einfach in eine turbulente Strömung versetzt werden kann. Durch die Ausbildung der turbulenten Strömung wird die pro Zeiteinheit von dem Kühlwasser abgeführte Wärmemenge gegenüber einem Fall vergrößert, dass das Kühlwasser keine turbulente Strömung aufweist.

In 3 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Statorträger 3, welcher aus einem Statorträgerinnenteil 4 und einem darauf mittels Elektronenstrahlschweißen verzugsarm verbundenen Statorträgeraußenteil 5 ausgebildet ist, dargestellt. Man erkennt, dass in dem Statorträger 3 mäandrierende Kanäle 11 ausgebildet sind, welche zur Kühlung des Statoraußenteils 2 Kühlwasser aufnehmen. Mit dem Bezugszeichen 10 ist eine Einbaulage für Kühlung, d.h. ein Zugang von Kühlwasser zu den mäandrierenden Kanälen 11 über das Statorträgerinnenteil 4, bezeichnet.

4 stellt schematisch ein Statorträgerinnenteil 4 eines erfindungsgemäßen Stators 1 dar. Dabei sind zwei Kühlwasserzugänge 12 innerhalb des Statorträgerinnenteils 4 vorhanden, über welche Kühlwasser in die mäandrierenden Kanäle 11 des Statorträgers 3 geleitet und aus diesen wieder abgeführt werden kann.

5 stellt schematisch ein Statorträgeraußenteil 5 eines erfindungsgemäßen Stators 1 dar. Dabei sind u. a. die mäandrierenden Nuten 9 vergrößert dargestellt. Wenn das Statorträgeraußenteil 5 auf das Statorträgerinnenteil 4 aufgebracht ist, bilden die mäandrierenden Nuten 9 zusammen mit dem Statorträgerinnenteil 4 die mäandrierenden Kanäle 11 aus, deren Aufgabe bereits vorab beschrieben ist.

6 stellt schematisch in Längsquerschnittansicht ein elektrisches Getriebe 20 dar, in welchem die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann. Dabei umfasst das elektrische Getriebe 20 eine Eingangswelle 21, welche mit einer nicht dargestellten Antriebsmaschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, verbunden ist. Diese Eingangswelle 21 trägt einen Generator-Rotor 22, welcher hohlzylindrisch ausgestaltet ist und mehrere mit wechselnder Polarität entlang seines Umfangs verteilte Permanentmagnete 23 aufweist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist eine Ausgangswelle 24 vorgesehen, welche mit einem hohlzylindrischen (Elektro-)Motor-Rotor 25 verbunden ist. Auch der Motor-Rotor 25 trägt mehrere entlang seines Umfangs verteilte Permanentmagnete 26 mit wechselnder Polarität.

Im Innenraum der beiden axial nebeneinander angeordneten Rotoren 22, 25 ist ein hohlzylindrischer Stator 1 angeordnet, welcher an Stangen 27 axial, d.h. in Längsrichtung, verschiebbar gelagert ist. Der Stator 1 trägt mindestens eine Statorwicklung.

1: Stator
2: Statoraußenteil
3: Statorträger
4: Statorträgerinnenteil
5: Statorträgeraußenteil
6: Schweißnaht
7: Ausschnitt mit mäandrierenden Nuten
8: Kühlwasserdurchlass
9: mäandrierende Nut
10: Einbaulage für Kühlung
11: mäandrierende Kanäle
12: Kühlwasserzugang
20: elektrisches Getriebe
21: Antriebswelle
22: Generator-Rotor
23: Permanentmagnet
24: Abtriebswelle
25: Elektromotor-Rotor
26: Permanentmagnet
27: Verschiebestange

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) für eine elektrische Maschine (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) aus einem Statorträger (3) und einem Statoraußenteil (2) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorträger (3) aus einem Statorträgerinnenteil (4) und einem Statorträgeraußenteil (5) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorträgerinnenteil (4) mittels Elektronenstrahlschweißen mit dem Statorträgeraußenteil (5) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Statoraußenteil (2) auf den Statorträger (3) aufgeschrumpft wird.
Stator für eine elektrische Maschine (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) einen Statorträger (3) und ein Statoraußenteil (2) umfasst.
Stator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorträger (3) ein Statorträgerinnenteil (4) und ein Statorträgeraußenteil (5) umfasst.
Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Statorträgeraußenteils (5) eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein Material des Statorträgerinnenteils (4).
Stator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Statorträgeraußenteils (5) eine um einen Faktor 20 höhere Wärmeleitfähigkeit als das Material des Statorträgerinnenteils (4) aufweist.
Stator nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Statorträgerinnenteils (4) steifer und/oder härter als ein Material des Statorträgeraußenteils (5) ist.
Stator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vickershärte des Materials des Statorträgerinnenteils (4) eine um Faktor 5 höhere Vickershärte aufweist als das Material des Statorträgeraußenteils (5) aufweist.
Stator nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Statorträgeraußenteils (5) Kupfer oder Aluminium umfasst.
Stator nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Statorträgerinnenteils (4) Vergütungsstahl umfasst.
Stator nach Anspruch einem der Ansprüche 6-13, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorträger (3) mindestens einen mäandrierenden Kanal (11) umfasst.
Stator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder mäandrierende Kanal (11) durch eine mäandrierende Nut (9) auf der Innenseite des Statorträgeraußenteil (5) ausgebildet ist, wobei jede mäandrierende Nut (9) durch die Außenseite des Statorträgerinnenteils (4) abgedeckt ist.
Stator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorträgerinnenteil (4) mindestens einen Zugang (12), durch welchen ein Fluid dem mindestens einen mäandrierenden Kanal (11) zuführbar ist, und mindestens einen Ausgang (12) aufweist, durch welchen das Fluid aus dem mindestens einen mäandrierenden Kanal (11) abführbar ist.
Stator nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorträger (3) derart ausgestaltet ist, dass ein in dem mindestens einen mäandrierenden Kanal (11) strömendes Fluid eine turbulente Strömung aufweist.
Stator nach einem der Ansprüche 6-17, dadurch gekennzeichnet, dass das Statoraußenteil (2) aus mehreren übereinander geschichteten und miteinander verbundenen Blechlagen besteht.
Elektrische Maschine mit einem Stator (1) nach einem der Ansprüche 6-18.
Elektrische Maschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein elektrisches Getriebe (20) ist, welches einen an einer Eingangswelle (21) befestigten ersten Rotor (22) und einen an einer Ausgangswelle (24) befestigten zweiten Rotor (25) aufweist, wobei sowohl an dem ersten Rotor (22) Permanentmagnete (23) als auch an dem zweiten Rotor (25) Permanentmagnete (26) angebracht sind, und dass der Stator (1) mindestens eine Statorwicklung aufweist und gegenüber dem ersten Rotor (22) und dem zweiten Rotor (25) axial verschiebbar gelagert ist.