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Die
Erfindung betrifft einen Stator eines Hybrid- oder Elektrofahrzeuges
sowie einen Statorträger.
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Statoren
und Statorträger der eingangs genannten Art werden für
Elektromaschinen, also Elektromotoren und/oder Generatoren, eingesetzt.
Derartige Elektromotoren oder Generatoren weisen ein feststehendes
Bauteil (Stator) und ein sich dem gegenüber drehendes Bauteil
(Rotor) auf. Der Stator ist dabei in der Regel fest zu einem Gehäuse
angeordnet.
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Des
Weiteren sind Elektro- oder Hybridfahrzeuge bekannt. Hybridfahrzeuge
sind Fahrzeuge, die über wenigstens zwei unterschiedliche
Antriebe verfügen, meist über einen Elektromotor
in Kombination mit einem Verbrennungsmotor. Diese Fahrzeuge weisen
hinsichtlich ihres Energieverbrauches Vorteile gegenüber
herkömmlichen Fahrzeugen auf, die beispielsweise nur mit
einem Verbrennungsmotor ausgerüstet sind, z. B. weil Hybridfahrzeuge
beim Bremsen Energie zurückgewinnen können und
weil die Elektromotoren zusätzliche Leistung und Drehmoment
liefern können, was ein zügiges Vorankommen mit
kleiner dimensionierten und damit sparsameren Motoren ermöglicht.
Die in Elektro- oder Hybridfahrzeugen verwendeten Elektromotoren
bzw. Generatoren müssen aus diesem Grund hohe Leistungen
und Drehmomente liefern, was eine dementsprechend hohe Abwärme
durch ohmsche Verluste in den Statoren mit sich bringt. Diese Abwärme
muss durch Kühlung abtransportiert werden.
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Bekannte
Statoren eines Hybridfahrzeuges weisen zur aktiven Kühlung
separate, die Wicklungen umgebende Kühlmäntel
vor, zu deren Verwirklichung eine Vielzahl von Bauteilen erforderlich
ist. Andere bekannte Varianten sehen Kühlkanäle
in Statorträgern der Statoren vor, welche aufwendig zu
fertigen sind. Darüber hinaus ist die thermische Anbindung
und damit die Kühlleistung durch die vom Ort der Wärmeentstehung
entfernt liegenden Kühlanordnungen verschlechtert, sodass
die bekannten Kühlungen entsprechend groß dimensioniert
werden müssen.
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Aus
der
DE 10 2006
034 945 A1 geht eine bekannte Antriebsanordnung für
ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Elektromaschine
mit einem Rotor und einem Stator hervor. Der Stator der Elektromaschine
weist eine Mehrzahl von auf Statorpaketsegmenten (Statorzähnen)
befestigten Einzelwicklungen auf, deren Wicklungsenden über
eine gemeinsame Verschaltungseinrichtung mittels mehrerer Verbindungsleiter
in einer vorbestimmten Weise miteinander verschaltet sind. Bei der Elektromaschine
handelt es sich um eine permanenterregte Synchronmaschine in Innenläuferbauart,
deren Stator ein Blechpaket und eine Wicklung trägt und
der mittels eines Statorträgers an einem Gehäuse
befestigt ist.
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Ein ähnlicher
Aufbau ist aus der
DE
199 20 127 C2 bekannt. Bei dem dort offenbarten Stator
für eine elektrische Maschine ist ebenfalls eine Mehrzahl von
vorgewickelten Statorwicklungen vorgesehen, die an einem Statorjoch
angeordnet sind. Auf einer Stirnseite des Statorjochs ist eine Verschaltungsanordnung
vorgesehen.
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Nachteilig
an den bekannten Statoren ist, dass sie aufgrund der aufwendigen
Kühlung teuer in der Herstellung sind und dass die Umsetzung
der Kühlung den Platzbedarf der Statoren erhöht.
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Aus
der
AT 412 311 B ist
darüber hinaus ein gehäuseloser Elektromotor bekannt,
der ein als Stator oder Rotor ausgebildetes Blechpaket aufweist, das
mit Kanälen zur Führung eines Kühlmediums ausgebildet
ist. Das Blechpaket ist mittels Pressklammern zusammengehalten.
Mindestens ein endseitig angeordnetes Blech weist einen Schlitz
auf, der mindestens zwei Kanäle miteinander verbindet. Nachteilig
hieran ist der kleine resultierende Kühlungsquerschnitt
der Anordnung.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen Stator eines Hybrid- und Elektrofahrzeuges
anzugeben, der eine verbesserte thermische Anbindung an das System
ermöglicht, dabei einen geringeren Platzbedarf aufweist
und einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch einen Stators eines Hybrid- oder
Elektrofahrzeuges gemäß Anspruch 1 sowie durch
einen Statorträger gemäß dem nebengeordneten
Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Ein
erfindungsgemäßer Stator eines Hybrid- oder Elektrofahrzeuges
weist eine Mehrzahl vom im Wesentlichen ringförmig angeordneten
Statorsegmenten auf, deren Achsen im Wesentlichen radial ausgerichtet
sind. Der erfindungsgemäße Stator weist des Weiteren
eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Stators im
Betrieb auf, um die ohmsche Abwärme der Statorsegmente
aufzunehmen, die im Betrieb entsteht.
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Erfindungsgemäß ist
dabei einerseits vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung in
den Statorsegmenten ausgebildete Rippen aufweist, wobei die Rippen
Kühlkanäle bilden.
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”Axial” sowie ”radial” sind
im Sinne der Erfindung in Bezug auf eine Rotationsachse eines Rotors angegeben,
der mit dem Stator zusammen eine Elektromaschine bildet, also zum
Beispiel einen Elektromotor und/oder einen Generator.
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Bevorzugt
weist der erfindungsgemäße Stator eine weitgehend
rotationssymmetrische Ausgestaltung auf.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung von Rippen in den
Statorsegmenten, die zwischen sich Kühlkanäle
bilden, kann erreicht werden, dass die ohmsche Abwärme
der Statorsegmente sehr viel unmittelbarer und mit höherem
Wirkungsgrad als bei herkömmlichen Statoren abgeführt
werden kann. Herkömmliche Statoren weisen separate Kühlvorrichtungen
auf, sodass zunächst ein Wärmeübergang
von den Statorsegmenten auf die Kühlvorrichtung stattfinden
muss. Durch die unmittelbare Ausgestaltung von Kühlkanälen
in den Statorsegmenten kann somit der Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung verbessert
werden und eine effizientere Kühlung verwirklicht werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann darüber
hinaus auf einen zusätzlichen Kühlmantel verzichtet
werden, sodass der erfindungsgemäße Stator kompakter
baut als herkömmliche Statoren.
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Andererseits
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Stator
einen Statorträger aufweist, wobei Statorsegmente und Statorträger
derart zueinander ausgerichtet sind und der Statorträger
derart ausgebildet ist, dass die Kühlvorrichtung von dem
Statorträger begrenzt ist. Auf diese Weise kann der Statorträger
als Teil des Kühlsystems ausgebildet sein. Im Rahmen der
Erfindung muss der Statorträger nicht jeden einzelnen Kühlkanal
begrenzen, sondern lediglich eine radial äußere
Begrenzung der Kühlvorrichtung bilden. Benachbarte Kühlkanäle
können also erfindungsgemäß miteinander
im Austausch stehen.
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Gemäß einer
ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass wenigstens eine der Rippen den Statorträger radial
nicht berührt beziehungsweise zwischen der wenigstens einen Rippe
und dem Statorträger ein Freiraum verbleibt. Auf diese
Weise ist zwischen der wenigstens einen Rippe und dem Statorträger
ein Volumen beziehungsweise der Freiraum, das/der mit Kühlmedium gefüllt
sein kann. Dies erhöht die in der Kühlvorrichtung
vorhandene Kühlmenge und damit die Kühlleistung
der Kühlvorrichtung. Darüber hinaus ist eine einfachere
Montage des Stators gewährleistet.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung des Statorträgers ist ein Statortopf,
der bevorzugt im Tiefziehverfahren hergestellt ist. Ein derartiger
Statortopf lässt sich besonders einfach und kostengünstig
herstellen. Insbesondere, wenn in dem Statortopf, wie durch die
Erfindung ermöglicht, keine eigenen abgeschlossenen Kühlkanäle
gebildet werden müssen, kann gemäß dieser
Weiterbildung ein besonders kostengünstiger Statorträger
angegeben werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Statorträger
im Wesentlichen aus Stahl. Stahl eignet sich besonders gut für
umformende Herstellungsverfahren, beispielsweise Tiefziehen.
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Bevorzugt
weisen die Statorsegmente je ein Statorpaketsegment und eine Wicklung
auf, wobei die Kühlrippen in dem Statorpaketsegment ausgebildet
sind. Auf diese Weise kann ein Wärmetransport der Wicklungen,
in denen die ohmsche Abwärme entsteht, zu der Kühlvorrichtung
des erfindungsgemäßen Stators stattfinden.
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Die
Statorpaketsegmente sind dabei bevorzugt zumindest teilweise durch
Stanzen hergestellt, wobei die Kühlrippen beim Stanzen
ausgeformt werden. Auf diese Weise lassen sich die Statorpaketsegmente
besonders kostengünstig herstellen.
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Bei
einer bevorzugten im Wesentlichen axialen Anordnung der Kühlkanäle
weisen die Einzelbleche eines Statorpaketsegments die gleiche Form
auf und können somit vorteilhaft mit einem Werkzeug gestanzt
werden.
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Die
im Wesentlichen axiale Ausrichtung der Kühlkanäle
bietet des Weiteren Vorteile hinsichtlich der baulichen Toleranz
des Stators, da die Kühlkanäle eines Statorsegments
baulich nicht direkt mit den Kühlkanälen eines
benachbarten Statorsegments verbunden sind, wie dies beispielsweise
bei in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlkanälen
gegeben ist. In Umfangsrichtung ausgerichtete Kühlkanäle
erstrecken sich über mehrere Statorsegmente hinweg, sodass
diese sehr genau zueinander ausgerichtet werden müssen.
Ein weiterer Vorteil einer axialen Ausrichtung der Kühlkanäle
ist, dass die Zuführung und Abführung von Kühlmittel
an axialen Stirnseiten des Stators vorgesehen werden können,
sodass der Zugang zu den Kühlkanälen vereinfacht
ist. Die nicht massive Bauform des Statorpaketsegments in Umfangsrichtung
auf radialer Höhe der axial verlaufenden Kühlkanäle
beziehungsweise des Kühlbereichs wird durch jedes einzelne
Statorpaketsegment in Umfangsrichtung eine Federwirkung erreicht.
Dies hat zum einen den Vorteil, dass eine Vorspannung des aus einzelnen
Statorpaketsegmenten zusammengesetzten Statorpakets erreicht wird
und zum anderen, dass hierdurch beim Zusammenfügen der Statorpaketsegmente
zum Statorpaket Toleranzen in Umfangrichtung ausgeglichen werden
können und somit größere Toleranzen zugelassen
werden können.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Kühlkanäle auf wenigstens einer Stirnseite
des Stators durch wenigstens einen axial angrenzenden Ring begrenzt
sind. Auf diese Weise lassen sich die Kühlkanäle
auf einfache und effektive Weise axial abschließen. Dies
erlaubt insbesondere die Verwendung des Statorträgers als
abgrenzendes Element der Kühlvorrichtung und des Weiteren,
diesen im Tiefziehverfahren herzustellen, da im Statorträger
auf diese Weise radiale Hinterschneidungen im Bereich der Kühlvorrichtung
vermieden werden können.
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Als
besonders geeignetes Material für den axial angrenzenden
Ring hat sich Kunststoff erwiesen, da sich mithilfe eines Kunststoffrings
eine gute Abdichtung der Kühlvorrichtung erreichen lässt
und da Kunststoff vielfältige Formungsmöglichkeiten
bietet.
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Einen
unabhängigen Gegenstand der Erfindung stellt ein Statorträger
dar, insbesondere eines Stators gemäß der zuvor
beschriebenen Erfindung, wobei der Statorträger im Tiefziehverfahren
hergestellt ist. Ein derartiger Statorträger lässt
sich besonders kostengünstig herstellen.
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Ein
besonders geeignetes Material zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Statorträgers ist Stahl. Stahl lässt sich besonders
gut durch Tiefziehen bearbeiten.
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Der
erfindungsgemäße Statorträger ist bevorzugt
als Statortopf ausgebildet.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Dabei zeigen:
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1 ein
Statorsegment als Kreisausschnitt aus einem erfindungsgemäßen
Stator, der sich aus mehreren Statorsegmenten zusammensetzt, aus
einer axialen Ansicht;
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2 einen
erfindungsgemäßen Stator aus dreißig
Statorsegmenten aus einer axialen Ansicht;
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3 einen
teilweisen Querschnitt aus dem erfindungsgemäßen
Stator in radialer Richtung betrachtet sowie
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4 einen
Stator gemäß dem Stand der Technik.
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1 zeigt
ein Statorsegment 4 eines erfindungsgemäßen
Stators 2 in axialer Richtung betrachtet, der innerhalb
eines Gehäuses 3 angeordnet ist. Das Statorsegment 4 bildet
ein Kreissegment des sich aus mehreren Statorsegmenten 4 zusammensetzenden
Stators 2. Das Statorsegment 4 weist ein Statorpaketsegment 6,
auch Statorzahn genannt, sowie eine Wicklung 8 auf. Das
Statorpaketsegment 6 und/oder die Wicklung 8 können
eine Isolation aufweisen.
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Der
Statorpaketsegment 6 ist erfindungsgemäß als
Stanzpaket ausgebildet und aus einer Mehrzahl einzelner gestanzter
Bleche mit identischer Form zusammengesetzt. Die Bleche können
somit mit demselben Werkzeug einzeln oder als Paket gestanzt werden.
Bei einer Paketverstanzung besteht der Vorteil, dass die Einzelbleche
durch das Verstanzen bereits formschlüssig miteinander
verbunden sind.
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In
dem Statorpaketsegment 6 sind eine Mehrzahl von Rippen 10 ausgebildet,
die zwischen sich Kühlkanäle 12 bilden.
Die Kühlkanäle 12 können mit
einem Kühlmedium, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit,
gefüllt sein.
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Die
Statorsegmente 4 sind radial in einem Statortopf 14 aufgenommen,
der an dem Statorpaketsegment 6 anliegt und auf diese Weise
einen geschlossenen Kühlbereich 16 ausbildet.
Der Statortopf 14 begrenzt den Kühlbereich 16 radial
außen. Somit wird der Kühlbereich 16 eines
Statorsegments 14 im axialen Querschnitt vom Statorpaketsegment 6 und dem
Statortopf 14 begrenzt. Zur Abdichtung können zusätzliche
Elemente vorgesehen sein. Der Statortopf 14 ist gemäß der
Erfindung aus Stahl hergestellt und im Tiefziehverfahren ausgeformt.
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Die
Rippen 10 ragen radial nicht bis an den Statortopf 14,
sodass der Kühlbereich 16 mehrere der Kühlkanäle 12 in
radialer Richtung miteinander verbindet.
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2 zeigt
den aus dreißig Statorsegmenten 4 gebildeten Stator 2,
der innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet ist. Geometrisch
ergibt sich somit aus Kreisausschnitten ein Vollkreis. Jedes Statorsegment 4 weist
ein Statorpaketsegment 6 und eine Wicklung 8 auf.
Das Statorpaketsegment 6 weist in seinem radialen Teil,
der keine Wicklung 8 aufweist, an seiner in axialer Richtung
verlaufenden Fläche, die das benachbarte Statorpaketsegment
berührt, eine geometrische Form auf, die mit einer korrespondierenden
geometrischen Form des benachbarten Statorpaketsegments einen Formschluss
herstellt. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine Ausbeulung
beziehungsweise Vertiefung, die sich in radialer Richtung nur über
einen Teil der Berührungsfläche erstreckt. Somit
ergibt sich vorteilhaft eine erhöhte Stabilität
des Stators 2.
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3 zeigt
eine radiale Schnittansicht auf einen Querschnitt des oberen Teils
des erfindungsgemäßen Stators 2.
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Die
Kühlkanäle 12 werden an der links dargestellten
axialen Stirnseite des Stators durch einen Kunststoffring 18 abgeschlossen,
sodass ein geschlossener Kühlkreislauf innerhalb des Statorsegments 4 ausgebildet
werden kann.
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Auf
der gegenüberliegenden, rechts dargestellten axialen Stirnseite
sind eine nicht dargestellte Zuleitung und eine Ableitung 20 vorgesehen, über
die ein Kühlmittelaustausch stattfinden kann.
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Die
Zuleitung eines Statorsegments 4 kann mit der Ableitung 20 eines
anderen, vorzugsweise benachbarten, Statorsegments 4 des
Stators 2 verbunden sein. Somit können die Kühlkanäle 12 bzw. Kühlbereiche 16 seriell
oder parallel durchströmt werden.
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In
radialer Richtung innerhalb des Stators 2 ist ein Rotor 22 drehbar
gegenüber dem Stator 2 auf einer Welle 24 des
Kraftfahrzeuges angeordnet.
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Der
erfindungsgemäße Stator 2 ist in einer Kupplungsglocke 26 des
Kraftfahrzeuges verbaut.
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4 zeigt
einen Stator 32 gemäß dem Stand der Technik
in einer radialen Schnittdarstellung.
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Der
bekannte Stator 32 weist ein Statorpaket 36 mit
mindestens einer Wicklung 38 auf. Radial außenliegend
ist ein Statorträger 40 vorgesehen, der aus Stahl
gefertigt ist. Der Statorträger 40 weist in Umfangsrichtung
verlaufende Kühlkanäle 42 auf, die mit
einer Kühlflüssigkeit gefüllt sind. Radial
außenliegend wird der Statorträger 40 durch
ein Gehäuse 44 abgeschlossen, welches beispielsweise
aus Aluminium gefertigt ist. In dem Gehäuse 44 sind
Zuleitungen 46 und Ableitungen 48 vorgesehen,
durch die ein Kühlmittelaustausch stattfinden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006034945
A1 [0005]
- - DE 19920127 C2 [0006]
- - AT 412311 B [0008]
