DE102011082353B4

DE102011082353B4 - Stator für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE102011082353B4
Application number: DE102011082353.0A
Authority: DE
Inventors: Klaus Büttner; Klaus Kirchner; Norbert Wöhner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2031-09-09
Also published as: CN103959606A; WO2013034413A3; DE102011082353A1; US20140217840A1; US9768666B2; WO2013034413A2

Abstract

Stator (1) für einen Elektromotor, der ein mit Drahtwicklungen versehenes, im wesentlichen hohlzylinderförmiges Statorpaket (2) und einen sich in axialer Richtung an das Statorpaket (2) anschließenden Wickelkopf (6) umfasst, wobei das Statorpaket (2) eine Anzahl von Nuten (4) umfasst, wobei in die jeweilige Nut (4) eine Kühlmittelleitung (8) eingelegt ist, wobei sich ein Abschnitt (10) der jeweiligen Kühlmittelleitung (8) in den Bereich des Wickelkopfes (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlblech (18) mit dem jeweiligen Abschnitt (10) verbunden ist, dass das jeweilige Kühlblech (18) auf der radialen Außenseite des Wickelkopfes (6) angeordnet ist und dass das Statorpaket (2) in einem nicht mit einer Nut (4) versehenen Bereich einen sich in Nutrichtung erstreckenden Hohlraum (22) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für einen Elektromotor, der ein mit Drahtwicklungen versehenes, im wesentlichen hohlzylinderförmiges Statorpaket und einen sich in axialer Richtung an das Statorpaket anschließenden Wickelkopf umfasst, wobei das Statorpaket eine Anzahl von Nuten umfasst, wobei in die jeweilige Nut eine Kühlmittelleitung eingelegt ist.
In einem Elektromotor wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Insbesondere wird die Kraft, die von einem Magnetfeld auf die stromdurchflossenen Leiter einer Spule ausgeübt wird, in Bewegung umgesetzt. Elektromotoren können zwar auch translatorische Bewegungen ausführen, werden aber typischerweise als Rotationsmotoren ausgeführt.
Ein derartiger, zur Erzeugung einer Rotationsbewegung ausgebildeter Elektromotor umfasst üblicherweise einen feststehenden Stator und einen rotierenden Rotor. Das Magnetfeld des Stators wird durch Permanentmagnete oder durch ein mit Spulenwicklungen versehenes Metallbauteil, auch Statorpaket genannt, erzeugt. Das Statorpaket ist typischerweise hohlzylinderförmig aufgebaut und mit den Spulendrähten bewickelt. Die jeweiligen Enden der Drahtwicklungen treten typischerweise auf einer oder beiden axialen Seiten des Statorpaketes aus und bilden dort jeweils ein als Wickelkopf bezeichnetes Drahtgeflecht.
Im Inneren des Stators ist ein Rotor angeordnet, der in den meisten Fällen aus einer Spule mit Eisenkern, dem so genannten Anker, besteht, der drehbar im Magnetfeld des Stators gelagert ist. Durch die Abstoßung und Anziehung der Magnetfelder von Stator und Rotor entsteht die Drehbewegung. Bei einem Gleichstrommotor werden durch die Drehung des Rotors durch einen Kommutator stets die richtigen Wicklungen mit Strom beschaltet, um eine dauerhafte Kraftwirkung und damit Rotation zu erreichen. Bei anderen Bauformen, wie z.B. mit Dreh- oder Wechselstrom betriebenen Asynchronmotoren kann auf einen Kommutator verzichtet werden, stattdessen besitzt ein Asynchronmotor eine Kurzschlusswicklung im Rotor.
In den letzten Jahren wird aufgrund des gestiegenen Umweltbewusstseins und der Knappheit natürlicher Ressourcen der Elektromotor als Fahrzeugantrieb verstärkt eingesetzt. Der Elektroantrieb ist dem Verbrennungsmotor in vielen Aspekten überlegen, so z. B. hinsichtlich des Wirkungsgrades sowie der vorteilhaften Drehmoment- und Leistungscharakteristik eines Elektromotors. Weiterhin ist der Antriebsstrang zumeist wesentlich einfacher aufzubauen.
Nachteilig ist jedoch häufig die geringe Reichweite von Elektrofahrzeugen, bedingt durch die vergleichsweise geringeren Energiemengen, die beim derzeitigen Stand der Technik in Energiespeichern wie Akkumulatoren mitgeführt werden können. Somit ergibt sich insbesondere bei Elektrofahrzeugen die Aufgabe, die verfügbare Energie so effizient wie möglich zu nutzen, d. h. den Wirkungsgrad des Fahrzeugs zu optimieren.
Dies kann beispielsweise durch Nutzung von Abwärme geschehen, die andernfalls an den Motorraum abgegeben und damit verlustig gehen würde. Gehäuse für Elektromotoren werden daher häufig durch ein durchlaufendes Fluid gekühlt, welches die Wärme dann einer weiteren Nutzung in verschiedenen Aggregaten, z. B. der Innenraumheizung zuführen kann. Das Fluid wird in entsprechenden Kühlmittelleitungen, die eingelegt oder eingegossen sind, geführt. Häufig steht das Gehäuse dabei in direktem Kontakt zum Statorpaket, so dass die im Statorpaket entstehende Wärme direkt abgeführt werden kann.
Nachteilig ist hierbei häufig, dass aufgrund des sich im Betrieb einstellenden Temperaturgefälles zwischen Statorpaket und gekühltem Gehäuse sehr hohe Spannungen aufgrund der Wärmeausdehnung entstehen. Diese können zu unzulässigen Verformungen am Statorpaket oder am Gehäuse führen. Daher werden teilweise auch direkt Kühlmittelleitungen in das Statorpaket integriert, indem dieses mit entsprechenden Nuten versehen ist, in die die Kühlmittelleitungen eingelegt sind.
Aus der DE 10 2006 005 316 A1 eine Kühleinrichtung für eine elektrische Maschine bekannt, mit einem Stator und einem Rotor, wobei axial verlaufende rinnenförmige Aussparungen an der Außenseite des Stators vorhanden sind, in welche ein Kühlrohr oder ein Kühlschlauch einbringbar ist und/oder welche mittels einer Abdeckung zu einem Kühlluftkanal verschließbar sind.
Die EP 0 915 554 A2 betrifft einen gattungsgemäßen Elektromotor mit Kühlung, der folgende Merkmale aufweist: einen gehäuselosen Stator, dessen Blechpaket eine rotationssymmetrische Kontur hat, Kühlnuten, die sich auf der den Nuten abgewandten Seite des Statorblechs befinden, aus dem Statorblechpaket axial ragende Wickelköpfe, mit Kühlmedium durchsetzte Kühlrohre, die in den Kühlnuten angeordnet sind und mit dem Ständerblechpaket und den Wickelköpfen durch einen wärmeleitenden Kunststoffverguß verbunden sind.
Aus der DE 10 2007 036 032 A1 ist ein Elektromotor bekannt, der einen den Rotor umschließenden Stator und einen Wärmetauscher enthält, der einen geschlossenen Innenkühlkreislauf, in dem ein erstes Kühlmedium zirkuliert, und einen Außenkühlkreislauf aufweist, in dem ein zweites Kühlmedium zirkuliert. Der Außenkühlkreislauf ist offen und mindestens ein Mediumführungskanal des Innenkühlkreislaufs ist im Querschnittsbereich der Statorbleche verlaufend angeordnet.
Die US 2004/ 0 012 272 A1 betrifft eine Kühlanordnung für elektrische Maschinen, umfassend ein Wärmespeicherelement, das mit allgemein C-förmigen Kanälen versehen ist, und ein Kühlrohr, das so konfiguriert und dimensioniert ist, dass es in die C-förmigen Kanäle des Wärmespeicherelements eingesetzt werden kann. Das in die Kanäle eingeführte Kühlrohr wird verformt, um sich an die C-förmigen Kanäle anzupassen, wodurch die in dem Wärmespeicherelement gespeicherte Wärme durch Zirkulieren von Kühlfluid innerhalb des Kühlrohrs extrahiert wird.
Aus der WO 91/ 11 845 A1 ist eine elektrische Maschine mit externer Luftkühlung bekannt, wobei das Maschinengehäuse Öffnungen zum Einlass und Auslass eines externen Kühlluftstroms aufweist, um die Ableitung der Abwärme sicherzustellen. An den Enden der Statorplatten ist eine ringförmige Luftleitung mit mindestens einer Einlassöffnung umgeben und mindestens eine Auslassöffnung für einen Kühlluftstrom, der über die Oberfläche der Endspule strömt. Die Luftleitungen werden durch das Maschinengehäuse gebildet und durch eine ringförmige Trennwand zwischen den Statorplatten.
Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, einen Stator der eingangs genannten Art anzugeben, der eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades des Elektromotors ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stator mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass nicht nur das Statorpaket selbst, sondern auch die sich daran anschließenden Drahtwicklungen im Wickelkopf Wärme erzeugen. Diese am Wickelkopf abgestrahlte Wärme kann mit bisherigen Maßnahmen dem Fluid zum größten Teil nicht zugeführt werden, was eine Wirkungsgradeinbuße bedeutet. Daher sollte eine gezielte Abfuhr von Verlustwärme vom Wickelkopf in das Fluid vorgesehen werden. Dabei sollten keine zusätzlichen Kühlmittelleitungen vorgesehen werden, da dies eine vergleichsweise kompliziertere Bauweise bedeuten würde. Stattdessen sollten die vorhandenen Kühlmittelleitungen des Statorpakets in der Art einer Doppelnutzung zur Kühlung des Wickelkopfes mitgenutzt werden. Dies ist erreichbar, indem sich ein Abschnitt der jeweiligen Kühlmittelleitung in den Bereich des Wickelkopfes erstreckt.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die jeweilige Kühlmittelleitung dabei als Kühlwendel ausgebildet. Das heißt, die Kühlmittelleitung ist mit mehrfachen Windungen und Biegungen ausgestaltet und nicht als einfache, sich mehr oder weniger nur in eine Richtung erstreckende Leitung. Dadurch wird die kühlbare Oberfläche erhöht, da sich auf derselben Fläche eine größere Gesamtlänge der Kühlmittelleitung ergibt. Somit wird eine gleichmäßigere Kühlung des Statorpakets erreicht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind dabei Ein- und Austritt der jeweiligen Kühlmittelleitung auf derselben axialen Seite des Statorpakets angeordnet. Die Kühlmittelleitung bzw. Kühlwendel ist also in Gegenstromrichtung angeordnet. Auch dadurch wird eine gleichmäßigere Kühlung ermöglicht, da kühle und bereits durch Abfuhr von Wärme aus den Statorpaket vorerwärmte Kühlmittelbereiche nebeneinander angeordnet sind. Zudem ist durch die Anordnung von Ein- und Austritt an derselben Stelle eine einfache Installation möglich.
Erfindungsgemäß ist mit dem jeweiligen im Bereich des Wickelkopfes angeordneten Abschnitt ein Kühlblech verbunden. Durch ein derartiges Kühlblech im Bereich des Wickelkopfes wird der Wärmeaustausch zwischen Wickelkopf und Kühlmittelleitung verbessert. Dazu sollte das Kühlblech eine wärmetechnisch optimale Anbindung an die Kühlmittelleitung haben. Die Wärmeübertragung zum Wickelkopf kann dabei entweder durch direkten Kontakt als auch durch erzwungene Konvektion erfolgen. Dabei sollte die Oberfläche des Kühlblechs je nach Wärmeübertragungsmethode optimal gestaltet werden.
Erfindungsgemäß ist das jeweilige Kühlblech auf der radialen Außenseite des Wickelkopfes angeordnet. Durch die generelle Aufweitung des Wickelkopfes im Betrieb wird dadurch der Abstand zwischen Kühlblech und Wickelkopf verringert oder der Kontakt verbessert. Somit wird die Wärmeübertragung weiter optimiert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der jeweilige Abschnitt und/oder gegebenenfalls das jeweilige Kühlblech mit einer elektrischen Isolation versehen. Insbesondere bei direktem Kontakt des Wickelkopfes zu den kühlenden Elementen ist so eine gute elektrische Isolierung gewährleistet. Die elektrische Isolation sollte dabei dennoch thermisch leitfähig sein, beispielsweise kann eine Folie zur Anwendung kommen.
Auch innerhalb des Statorpakets sollte die Wärmeleitung in die Kühlmittelleitung optimiert werden. Erfindungsgemäß weist dazu das Statorpaket in einem nicht mit einer Nut versehenen Bereich einen sich in Nutrichtung erstreckenden Hohlraum auf. Da die Hohlräume schlechtere Wärmeleitungseigenschaften als das Metall des Statorpakets haben, wird der Wärmefluss tangential blockiert und in die Nuten gelenkt. Dadurch ergibt sich eine noch schnellere und bessere Wärmeübertragung in die in den Nuten liegenden Kühlmittelleitungen. Darüber hinaus führen die Hohlräume zu einer Gewichtsreduktion, was insbesondere bei einer Anwendung in Kraftfahrzeugen von Vorteil ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist ein Stator der beschriebenen Art Bestandteil eines Elektromotors. Ein derartiger Elektromotor sorgt vorteilhafterweise in einem Kraftfahrzeug für einen besonders effizienten Betrieb.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Ausdehnung des Kühlsystems auf den Bereich des Wickelkopfs des Statorpakets eine gezielte Abfuhr von Verlustwärme vom Wickelkopf in das Kühlmittel und damit eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads durch Nutzbarkeit dieser Wärme erreicht wird. Es wird eine Einsparung von Energie bei Elektrofahrzeugen insbesondere bei kühleren Außentemperaturen erreicht, da die nun nutzbare Abwärme zu Heiz- und Entfrostungszwecken erhöht wird, und nicht von der Batterie Energie zu diesen Zwecken verbraucht werden muss. Durch die direkte Integration der benutzten Kühlmittelleitungen in das Statorpaket werden zudem die Temperaturunterschiede zum Gehäuse des Elektromotors minimiert, so dass unzulässige Verformungen aufgrund von unterschiedlicher Wärmeausdehnung vermieden werden. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer aus.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils eines Stators für einen Elektromotor eines Elektrokraftfahrzeugs,
2 eine Darstellung einer Kühlwendel des Stators aus 1,
3 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs des Wickelkopfs des Stators aus 1, und
4 einen Querschnitt eines Statorpakets des Stators aus 1.

Gleiche Teile sind in allen FIGs mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils des Stators 1 für einen Elektromotor, wie er in einem Elektrokraftfahrzeug zur Anwendung kommt. Vom Stator gezeigt ist das aus einem magnetischen Metall aufgebaute Statorpaket 2, das im Wesentlichen hohlzylinderförmig aufgebaut ist und einen Metallkern für einen Elektromagneten bildet. Der Elektromagnet wird durch eine Vielzahl von Metalldrähten in Wicklungen gebildet, die zur Einfachheit der Darstellung nicht gezeigt sind. An den jeweils axialen Enden des Statorpakets 2 treten die Metalldrähte aus und bilden jeweils einen nur schematisch dargestellten Wickelkopf 6.
Das Statorpaket 2 weist an seiner radialen Außenseite in axialer Richtung ausgerichtete, den gesamten axialen Abschnitt des Statorpakets 2 durchziehende Nuten 4 auf. Die Nuten sind in tangentialer Richtung gleichmäßig beabstandet. In den Nuten 4 sind Kühlmittelleitungen 8 eingebracht, die die vom Statorpaket 2 ausgestrahlte Wärme in ein Kühlmittel führen und abtransportieren. Die Wärme wird dann im Kraftfahrzeug weiter genutzt.
Um nun den Wirkungsgrad des Kraftfahrzeuges insgesamt zu erhöhen, soll auch die von den Wickelköpfen 6 abgestrahlte Wärme einer weiteren Nutzung zugeführt werden. Dazu erstrecken sich Abschnitte 10 der Kühlmittelleitung 8 in dem Bereich der Wickelköpfe 6. Die Abschnitte 10 sind U-förmig gebogen, so dass sie die in den Nuten 4 liegenden Teile der Kühlmittelleitungen 8 miteinander verbinden. Sie bilden so eine Kühlwendel 12. Eintritt 14 und Austritt 16 der Kühlwendel 12 befinden sich dabei auf derselben axialen Seite des Statorpakets 2 und sind in axialer Verlängerung zweier benachbarter Nuten 4 angeordnet.
Um den Wärmeübertrag vom Wickelkopf 6 in das Kühlmittel weiter zu verbessern, sind an den Abschnitten 10 der Kühlwendel 12 Kühlbleche 18 angebracht. Diese sind für einen optimalen Wärmeübergang zur Kühlwendel 12 ausgelegt. Die Kühlbleche 18 sind jeweils ebenfalls in der Form eines Hohlzylinders angeordnet und umfassen die jeweiligen Wickelköpfe an deren radialer Außenseite. Die Kühlbleche 18 bilden jedoch keinen geschlossenen Hohlzylinder sondern weisen eine Unterbrechung 20 in axialer Richtung auf. Diese korreliert mit einem Bereich der Kühlwendel 12, in dem die Kühlwendel 12 keine tangential verlaufenden Bereiche aufweist, die sich über die durch die Unterbrechung 20 gebildete Linie erstreckt. Dadurch kann die Kühlwendel 12 mit den Kühlblechen 18 aufgeweitet werden, beispielsweise zum Einlegen in das Statorpaket 2.
Die Kühlbleche 18 sind mit einer Isolation versehen, die auch bei einer Aufweitung des Wickelkopfs 6 im Betrieb des Elektromotors bei einer Berührung einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Drähten des Wickelkopfs 6 und dem Kühlblech 18 sicher verhindert.
Das Statorpaket 2 weist zur besseren Leitung des Wärmestroms in die Kühlmittelleitung 8 sich in axialer Richtung erstreckende, zwischen den Nuten 4 angeordnete Hohlräume 22 auf. Diese blockieren den Wärmefluss von den Nuten 4 weg.
2 zeigt die Kühlwendel 12 mit den Kühlblechen 18 vor dem Einlegen in das Statorpaket 2. Hier sind die einzelnen Bestandteile, die Abschnitte 10, die Kühlmittelleitungen 8 und die Unterbrechungen 20 der Kühlbleche 18 sowie die generelle Form der Kühlwendel 12 zu erkennen, die sich schlangenförmig um den gesamten Hohlzylinder erstreckt.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht der 1 aus schräger axialer Richtung im Bereich um die Unterbrechung 20.
4 zeigt schließlich einen radial-tangentialen Schnitt durch das Statorpaket 2. Gezeigt sind insbesondere die in tangentialer Richtung gleichmäßig voneinander beabstandeten, abwechselnd angeordneten Nuten 4 und Hohlräume 22. An der radialen Innenseite weist das Statorpaket 2 Strukturen 24 zur Aufnahme der Drähte der Statorwicklungen auf.
Durch die beschriebene Ausgestaltung des Stators 1 wird eine verbesserte Abfuhr von Wärme erzielt, die ein Nutzung in weiteren Bauteilen eines Elektrokraftfahrzeugs ermöglicht und so den Wirkungsgrad verbessert.

Claims

Stator (1) für einen Elektromotor, der ein mit Drahtwicklungen versehenes, im wesentlichen hohlzylinderförmiges Statorpaket (2) und einen sich in axialer Richtung an das Statorpaket (2) anschließenden Wickelkopf (6) umfasst, wobei das Statorpaket (2) eine Anzahl von Nuten (4) umfasst, wobei in die jeweilige Nut (4) eine Kühlmittelleitung (8) eingelegt ist, wobei sich ein Abschnitt (10) der jeweiligen Kühlmittelleitung (8) in den Bereich des Wickelkopfes (6) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlblech (18) mit dem jeweiligen Abschnitt (10) verbunden ist, dass das jeweilige Kühlblech (18) auf der radialen Außenseite des Wickelkopfes (6) angeordnet ist und dass das Statorpaket (2) in einem nicht mit einer Nut (4) versehenen Bereich einen sich in Nutrichtung erstreckenden Hohlraum (22) aufweist.
Stator (1) nach Anspruch 1, bei dem die jeweilige Kühlmittelleitung (8) als Kühlwendel (12) ausgebildet ist.
Stator (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Ein- und Austritt (14, 16) der jeweiligen Kühlmittelleitung (8) auf derselben axialen Seite des Statorpakets (2) angeordnet sind.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der jeweilige Abschnitt (10) und/oder gegebenenfalls das jeweilige Kühlblech (18) mit einer elektrischen Isolation versehen ist.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (22) vorgesehen ist, den Wärmefluss tangential zu blockieren und in die Nuten (4) zu lenken.
Elektromotor mit einem Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor nach Anspruch 6.