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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrodynamische Maschine, insbesondere einen Elektromotor. Der Stator enthält dazu ein Statorpaket mit einem ersten Statorende und einem zweiten Statorende. Des Weiteren enthält das Statorpaket wenigstens ein Spulenelement.
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Üblicherweise besteht ein Stator für einen Elektromotor unter anderem aus einem Statorpaket. Das Statorpaket wird hierzu für gewöhnlich aus einzelnen Blechringen gebildet, die miteinander verbunden sind. Es ist jedoch auch möglich, dass der Stator ein gebautes Statorpaket aufweist, d.h. das Statorpaket besteht hierzu beispielsweise aus zwei oder mehreren Halbringen oder aus mehreren Segmenten, die zu dem Statorpaket zusammengefügt sind. Dazu verfügt das Statorpaket über eine Anzahl an Statorpolen. Die Statorpole erstrecken sich bei einem als Innenläufer gestalteten Stator radial zur Rotorachse. Im Gegensatz dazu erstrecken sich bei einem als Aussenläufer gestalteten Stator die Statorpole radial von der Rotorachse weg. Zwischen den einzelnen Statorpolen befinden sich dabei Zwischenräume in Form von Polnuten. Die Statorpole enthalten jeweils mindestens eine Wicklung. Durch die Wicklung entsteht die Spule. An mindestens einem der Enden des Statorpakets befindet sich üblicherweise ein Lagerschild, welches primär zur Befestigung des Stators an einem Gerätegehäuse dient. Da während des Betriebs eines Elektromotors unerwünschte Wärme innerhalb der Statorspulen erzeugt wird, ist oftmals und notwendigerweise eine Kühlvorrichtung an dem Elektromotor zur Kühlung des Stators vorgesehen.
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Ein derartiger Stator ist beispielsweise aus der
DE-Offenlegungsschrift 101 41 693 bekannt. Diese offenbart eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse und einen das Gehäuse konzentrisch umschliessenden Mantel. In dem Gehäuse befinden sich ein Stator mit Statorwicklung sowie ein Rotor. Der Rotor sitzt in dem Stator drehfest auf einer im Gehäuse drehbar gelagerten Rotorwelle. Zwischen dem Gehäuse und dem Mantel befindet sich ein flüssigkeitsdicht abgeschlossener Ringraum. In dem Ringraum ist eine Vielzahl an axialen Leitstegen angeordnet, zwischen denen ein Kühlmittel fliessen kann, um die elektrische Maschine und insbesondere den Stator zu kühlen.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, besteht bei herkömmlichen Statoren das Problem, dass die Statorspulen während des Betriebs Wärme erzeugen, die unerwünscht ist und mit Hilfe einer Kühlung reduziert werden muss, um mögliche Schäden sowie ein herabsetzen des Wirkungsgrads, das durch die unerwünschte Wärmeentwicklung entstehen können, vermieden werden können. Die Kühlung der Statoren erfolgt bisher und üblicherweise mittels Lüftern, die Kühlluft durch das Statorpaket oder über bzw. entlang der Aussenfläche des Statorpakets treiben. Nachteil dieser Kühlung ist, dass derartige Lüfter relativ viel Energie für eine effektive Kühlung benötigen, wodurch der Wirkungsgrad des Elektromotors insgesamt reduziert wird. Bei Lüftern, die die Kühlluft durch das Statorpaket treiben, besteht weiterhin der Nachteil und auch die Gefahr, dass abrasive Stoffe, insbesondere Schmutzpartikel, mit der Kühlluft in das Statorpaket gelangen und zu Beschädigungen am Stator oder Rotor führen können. Schmutzpartikel, die insbesondere ferromagnetische Stoffe enthalten, können, wenn sie in das Statorpaket gelangen, zu einer mechanischen Blockierung des Rotors führen. Bei aussenbelüfteten Statoren besteht zwar nicht die Gefahr, dass verschmutzte Kühlluft zu Beschädigungen des Rotors, des Stators (insbesondere der Spulen) und folglich des gesamten Elektromotors führt, jedoch ist hierbei die Kühlung sehr ineffizient, da lediglich die Aussenseite des Stators gekühlt wird. Als Folge daraus muss die Menge an Kühlluft, die aussen über das Statorpaket getrieben wird, sehr hoch sein, damit eine ausreichende Kühlung erzeugt werden kann. Für eine grössere Menge an Kühlluft muss entsprechend auch ein grösserer Lüfter bereitgestellt sowie eine grössere Menge an Energie aufgebracht werden.
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Darüber hinaus beanspruchen die Kühlvorrichtungen, insbesondere derartige Kühlvorrichtungen für eine Aussenkühlung, für gewöhnlich viel Bauraum, wodurch sich der Bauraum des Stators insgesamt vergrössert und damit unhandlich wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend genannten Probleme und Nachteile zu lösen, indem ein kompakter Stator mit einer effektiven Kühlung zur Verfügung gestellt wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Stator für eine elektrodynamische Maschine, insbesondere Elektromotor gelöst. Der Stator enthält dazu ein Statorpaket mit einem ersten Statorende und einem zweiten Statorende. Des Weiteren enthält das Statorpaket wenigstens ein Spulenelement. Gemäss der vorliegenden Erfindung ist zwischen den Spulenelementen wenigstens ein Kühlelement vorgesehen.
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Entsprechend einer alternativen Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann das Kühlelement an wenigstens einem Kühlkörper befestigt sein.
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Der Kühlkörper kann an dem ersten Ende des Statorpakets oder an dem zweiten Ende des Statorpakets positioniert sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass ein weiterer Kühlkörper vorgesehen ist. In diesem Falle kann der eine Kühlkörper an dem ersten Ende des Stators positioniert sein und der andere Kühlkörper an dem anderen Ende des Stators positioniert sein. Die Wärme, welche von dem Spulenelement an die Kühlelemente abgegeben wird, kann damit weiter an den Kühlkörper abgeleitet werden. Durch die im Verhältnis zu den Kühlelementen relativ grosse Oberfläche des Kühlkörpers kann dann die Wärme bestmöglich an die Umgebung abgegeben und eine effektive Kühlung erzeugt werden. Dadurch, dass die Kühlelemente mit den Spulenelementen verbunden sind und die Kühlelemente wiederum an dem Kühlkörper befestigt sind, welches in fester Verbindung mit einem Gerätegehäuse steht, dienen die Kühlelemente hierdurch zusätzlich als Drehmomentabstützung für den Stator.
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Um eine grössere Kontaktfläche zwischen Kühlelement und Lagerschild zu erzeugen, kann gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass sich das Kühlelement durch den Kühlkörper hindurch erstreckt. Durch die grosse Kontaktfläche wird die Wärmeübertragung zwischen den Kühlelementen und dem Kühlkörper erhöht sowie eine bessere und belastbarere Verbindung zwischen den Kühlelementen und dem Kühlkörper erzeugt.
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Weiterhin ist es möglich, dass der Kühlkörper als Kühlplatte ausgebildet sein kann. Durch die Gestaltung des Kühlkörpers als Kühlplatte wird eine möglichst grosse Aussenfläche für den Kühlkörper erzeugt, um die Kühlfunktion bzw. den Wärmeabtransport weiter zu steigern.
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Entsprechend einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Kühlplatte als Lagerschild gestaltet sein. Dadurch, dass die Lagerplatte die Funktion der Kühlplatte erfüllt, kann auf eine zusätzliche Kühlplatte verzichtet werden, um folglich den Bauraum des Statorpakets sowie die Herstellungskosten zu reduzieren.
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Gemäss einer weiteren alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, kann das Kühlelement als länglicher Kühlsteg ausgestaltet sein. Der Querschnitt des länglichen Kühlstegs kann dabei rund, rechteckig, trapezförmig oder jede andere geeignete Form aufweisen. Hierdurch wird eine möglichst grosse Kontaktfläche zwischen den Kühlelementen und den Wickelstützelementen erzeugt, welche wiederum für einen möglichst grossen und effektiven Wärmeabtransport sowie Verbindung zwischen den Kühlelementen und den Spulenelementen sorgt. Es ist hierbei möglich, dass die Kühlelemente zwischen die einzelnen Spulenelemente geschoben werden und damit direkt an den Spulenelementen anliegen. Die eigentliche Anbindung der Kühlelemente kann dabei auf unterschiedliche Weise gestaltet sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Kühlelemente nicht direkt an den Spulenelementen anliegen und der Raum zwischen den Kühlelementen sowie den Spulenelementen durch ein wärmeleitfähiges Material, z.B. in Form eines Vergussmaterials oder Träuelharz, aufgefüllt ist. Des Weiteren ist es ebenfalls möglich, dass die Kühlelemente in einem ersten Zustand zwischen die Spulenelemente geschoben werden, um anschliessend durch Aufblasen oder einer andersartigen Expansion in einen zweiten Zustand gebracht werden. In diesem zweiten Zustand liegen die Kühlelemente an den Spulenelementen an.
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Zur Vergrösserung der Oberfläche des Kühlelements kann entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das Kühlelement einen länglichen Hohlraum aufweist. Durch die Vergrösserung der Oberfläche des Kühlelements kann die Wärmeübertragung weiter verbessert werden, da Wärme über die vier inneren Seitenflächen an den Hohlraum im Inneren des Kühlelements abgeleitet werden kann. Des Weiteren kann auch vorgesehen sein, dass sich auf vorteilhafte Weise der längliche Hohlraum entlang des länglichen Kühlsteges erstreckt.
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Darüber hinaus kann das Kühlelement wenigstens eine sich radial zu einer Achse erstreckende Öffnung enthalten. Durch die Öffnung kann einerseits die Oberfläche des Kühlelements weiter vergrössert werden und andererseits der Wärmeabtransport entlang des Kühlelements in eine erste Richtung zu dem einen Kühlkörper an dem ersten Ende des Statorpakets sowie in eine zweite Richtung zu dem anderen Kühlkörper an dem zweiten Ende des Statorpakets effektiv geleitet werden. Die Öffnung kann in Form eines Loches, einer Aussparung oder einer Bohrung vorliegen.
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Entsprechend einer alternativen Ausgestaltungsform kann der erfindungsgemässe Stator so ausgestaltet sein, dass sich durch den länglichen Hohlraum ein Medium zum Wärmeabtransport bzw. zur Entwärmung bewegt, wodurch die Kühlung des Stators weiter verbessert wird.
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Ferner ist es ebenfalls möglich, dass das Medium zum Wärmeabtransports durch ein Fluid verwirklicht ist.
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Das Fluid zum Wärmeabtransport liegt dabei entweder in einem flüssigen oder gasförmigen Zustand vor. Es ist jedoch auch denkbar, dass in einem Statorpaket durch ein erstes Kühlelement ein Fluid in einem flüssigen Zustand und durch ein zweites Kühlelement ein Fluid mit einem gasförmigen Zustand fliesst.
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Darüber hinaus ist es gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch möglich, dass das Kühlelement durch ein Wärmerohr bzw. Heatpipe verwirklicht werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmässigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht auf einen erfindungsgemässen Stator;
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2 eine perspektivische Ansicht auf einen Kühlkörper, die Kühlelemente und die Spulenelemente;
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3 einen Schnitt durch den erfindungsgemässen Stator in der Ebene A-A;
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4 eine Schnittansicht auf einen erfindungsgemässen Stator in der Ebene B-B;
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5 eine Vorderansicht auf einen erfindungsgemässen Kühlkörper; und
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6 eine Seitenansicht auf einen Kühlkörper und die Kühlelemente.
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Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
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1 zeigt einen Stator 1 für eine elektrodynamische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor. Ein derartiger Elektromotor dient beispielsweise als Antrieb für hand- oder ständergeführte Elektrogeräte. Bei den Elektrogeräten kann es sich z.B. um Powertools, Kombihämmer, Bohrwerkzeuge, Elektrosägen, Schleifgeräte oder ähnliches handeln.
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Der Stator 1 besteht im Wesentlichen aus einem Statorpaket 10, sechs Kühlelementen 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f und einem Kühlkörper 30.
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Wie in 1, 2 und 4 gezeigt, enthält das Statorpaket 10 wiederum sechs Spulenelemente 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, welche eine Vielzahl an (nicht gezeigten) Wicklungen enthalten, sowie sechs Statorpole 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, welche als Magnetkern fungiert. Die einzelnen Spulenelemente 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f verlaufen entsprechend um die jeweiligen Statorpole 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f. Darüber hinaus weist das Statorpaket 10 ein erstes Ende 10a sowie ein zweites Ende 10b auf.
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Das Kühlelement 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f ist in Form eines länglichen Steges mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Ausserdem weist jedes Kühlelement 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f ein erstes Ende und ein zweites Ende sowie zwei lange Seitenflächen und zwei kurze Seitenflächen auf. Des Weiteren enthält das Kühlelement 20a, 20b, 20c einen länglichen Hohlraum 22a, 22b, 22c, der sich entlang des länglichen Steges erstreckt. Durch den Hohlraum 22a, 22b, 22c des Kühlelements 20a, 20b, 20c fliesst ein Kühlmedium 24, welches mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Kühlmittelbeförderungseinrichtung durch den Hohlraum 22a, 22b, 22c bewegt wird. Das Kühlmedium 24 kann dabei je nach Verwendung und Art in einem flüssigen und/oder gasförmigen Zustand vorliegen. Durch die Kühlelement 20a wird ein gasförmiges Kühlmedium und durch die Kühlelemente 20b, 20c ein flüssiges Kühlmedium bewegt. Wie in den 2 und 3 gezeigt, enthalten die Kühlelemente 20a, 20d, 20e, 20f jeweils eine Öffnung 70 in Form von Bohrungen. Diese Bohrungen 70 dienen dazu die Oberfläche der Kühlelemente 20a, 20d, 20e, 20f zu vergrössern sowie die aufgenommene Wärme aus den Spulenelementen 12a, 12c, 12d, 12e, 12f gleichmässig auf die Kühlelemente 20a, 20e, 20f zu verteilen.
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Jeweils ein Kühlelement 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f ist zwischen zwei einzelnen Spulenelementen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f positioniert und fest mit diesen Spulenelementen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f verbunden, vgl. 1, 2, 3, 4. Die Kühlelemente 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f sind dabei so ausgerichtet, dass jeweils die langen Seitenflächen der Kühlelemente 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f an die entsprechenden Spulenelemente 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f angrenzen. Darüber hinaus erstecken sich die Kühlelemente 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f von dem ersten Ende 10a des Statorpakets 10 zu dem zweiten Ende 10b des Statorpakets 10.
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Wie in 1, 2, 4, 5 gezeigt, ist der Kühlkörper 30 in Form einer runden Scheibe 40 mit einer Vielzahl an Zähnen 50, welche gleichmässig verteilt an dem äusseren Rand 42 der Scheibe 40 positioniert sind. Der Kühlkörper 30 ist hier als Lagerschild verwirklicht. Des Weiteren weist der Kühlkörper 30 drei gleichmässig verteilte Befestigungselemente 60 in Form von Ösen auf, die ebenfalls an dem äusseren Rand 42 der Scheibe 40 angebracht sind. Die Zähne 50 dienen der Vergrösserung der Oberfläche des Randes 42 der Scheibe 40, um hierdurch eine bessere Wärmeübertragung an die Umgebung zu gewährleisten. Das Lagerschild 30 ist somit als Kühlplatte für die Wärmeabfuhr von dem Stator 1 ausgestaltet. Die ösenförmigen Befestigungselemente 60 dienen der Befestigung des Lagerschildes 30 und folglich damit auch des Stators 1 an einem (nicht gezeigten) Gerätegehäuse. Das Lagerschild 30 ist an dem ersten Ende 10a des Statorpakets 10 befestigt.
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Die Kühlelemente 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f sind mit dem einen Ende an der Oberfläche des Lagerschilds 30 befestigt, sodass über die Befestigungselemente 60, das Lagerschild 30 und schliesslich die Kühlelemente 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f der Stator 1 mit dem (nicht gezeigten Gerätegehäuse) verbunden ist und damit die Kühlelemente 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f als Drehmomentabstützung für den Stator 1 dienen.
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Während des Betriebs des Elektromotors bzw. des Stators 1 wird in den Wickelungen der Spulenelemente 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f Wärme erzeugt. Durch das direkte Anliegen der Kühlelemente 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f an den Wicklungen der Spulenelemente 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f wird die Wärme abgeleitet (Prinzip der Wärmeleitung bzw. Konduktion) und an die Umgebung weitergeleitet. Da die Kühlelemente 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f an dem Lagerschild 30, welcher als Kühlkörper in Form einer Kühlplatte fungiert, befestigt sind, wird die Wärme aus den Wicklungen über die Kühlelemente 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f auch an das Lagerschild 30 weitergeleitet. Aufgrund der relativ grossen Oberfläche des Lagerschildes 30 wird eine noch effektivere Wärmeübertragung an die Umgebung erreicht.
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Durch einen (nicht gezeigten) Radiallüfter wird ein (nicht gezeigter) Luftstrom erzeugt, welcher zur Kühlung des Stators 1 dient. Der Radiallüfter ist in axialer Ausrichtung hinter dem Stator 1 und insbesondere hinter dem Lagerschild 30 positioniert. Der Radiallüfter dreht sich in eine erste Richtung und stösst damit einen Luftstrom aus, der auf das Lagerschild 30 trifft. Durch thermische Konvektion wird das Lagerschild 30 gekühlt. Ein weiteres (nicht gezeigtes) Lagerschild ist an dem zweiten Ende 10b des Statorpakets 10 befestigt. Der von dem Radiallüfter erzeugte Luftstrom trifft auch auf das weitere Lagerschild 30 und kühlt dieses ebenfalls. Wenn sich der Radiallüfter in eine zweite Richtung dreht, wird Luft angezogen und ein Luftstrom bewegt sich in umgekehrter Richtung über den Stator 1. Durch die unterschiedliche Drehrichtung des Radiallüfters wird folglich einmal das eine Lagerschild 30 zuerst von dem Luftstrom angeströmt und einmal das andere (nicht gezeigte) Lagerschild zuerst von dem Luftstrom angeströmt. Je nach dem welches Lagerschild zuerst von dem Luftstrom angeströmt wird, kann dieses Lagerschild effektiver gekühlt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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