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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine, mit einem vergossenen Wickelkopf.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen können als Motoren oder Generatoren in unterschiedlichen technischen Anwendungen dienen. Derzeit werden insbesondere leistungsfähige elektrische Maschinen für einen Einsatz in Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeugen entwickelt.
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Es sind insbesondere elektrische Asynchronmaschinen bekannt. Bei diesen kann mithilfe von elektrischen Leitern, die als Statorwicklungen an einem Stator der elektrischen Maschine angeordnet sind, ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt werden. Bei einer so genannten innen laufenden elektrischen Maschine umgibt der Stator dabei einen Rotor. In dem Rotor können beispielsweise Permanentmagnete vorgesehen sein. Alternativ kann der Rotor mit einem so genannten Kurzschlusskäfig ausgebildet sein, in dem durch wechselnde von außen einwirkende Magnetfelder Ströme und damit auch induzierte Magnetfelder erzeugt werden können. Letztendlich kann mithilfe der in dem Stator vorgesehenen Statorwicklungen und einem damit bewirkten sich drehenden Magnetfeld ein Rotieren des Rotors bewirkt werden.
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Die Statorwicklungen einer solchen elektrischen Maschine sind häufig derart angeordnet, dass sie zwischen zwei gegenüber liegenden Stirnenden des Stators entlang des Stators in einer Längsrichtung verlaufen und an den Stirnenden des Stators quer zu dieser Längsrichtung schleifenartig umgelenkt sind. Der Stator kann dabei beispielsweise einen Grundkörper aufweisen, in dem parallel zur Längsrichtung des Stators verlaufende Nuten ausgebildet sind. Statorwicklungen werden in diese Nuten eingelegt und ragen an den Stirnenden des Grundkörpers über diesen in Längsrichtung über und werden dort von einer Nut zu einer benachbarten Nut hin umgelenkt. Ein solcher Bereich, in dem die Statorwicklungen über den Statorgrundkörper in Längsrichtung überstehen und umgelenkt werden, wird üblicherweise als Wickelkopf bezeichnet.
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Um die Statorwicklungen relativ zueinander und in Bezug auf den Statorgrundkörper zu fixieren, werden die Komponenten des Stators im Allgemeinen mit einer elektrisch isolierenden und fließfähigen aushärtbaren Masse umgossen. Eine solche Masse kann beispielsweise ein Kunststoff, insbesondere Thermoplast oder Duroplast, sein. Zum Vergießen werden die Komponenten des Stators in eine geeignete Form eingelegt und dann Vergussmassse eingefüllt. Die zunächst flüssige Vergussmasse dringt dabei in Hohlräume zwischen den Statorwicklungen und dem Statorgrundkörper ein, so dass diese Komponenten nach einem anschließenden Aushärten der Vergussmasse relativ zueinander fixiert sind.
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In der
DE 10 2009 055 325 A1 ist eine elektrische Maschine in Form eines Asynchronmotors beschrieben, bei der Wicklungen in einem Lamellenkörper eines Stators angeordnet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine, mit einer verbesserten Kühlung und daraus resultierend einem höheren Leistungspotenzial oder einer erhöhten Lebensdauer.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, die einen Rotor, einen den Rotor umgebenden Stator, ein den Stator umgebendes zylindrisches Gehäuse und zwei Wickelköpfe aufweist. Der Stator weist mehrere Statorwicklungen aus elektrischen Leitern auf. Jeder der Wickelköpfe ist in einem Verguss aus einem elektrisch isolierenden Material vergossen, in den axiale Endbereiche der Statorwicklungen an Stirnenden des Stators vergossen sind. Der Verguss weist eine ringförmige Geometrie auf und ist innerhalb des Gehäuses an einem der beiden gegenüber liegenden Stirnenden des Stators angeordnet. Die elektrische Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass der Verguss der Wickelköpfe an einem innenliegenden Bereich einer Oberfläche an zugehörigen Stirnenden des Stators, d.h. am Übergang zwischen einer dem Rotor zugewandten Manteloberfläche und einer Stirnseitenoberfläche, jeweils eine Verrundung aufweist.
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Dieser Aspekt der Erfindung kann als auf der folgenden Erkenntnis beruhend angesehen werden:
Bei herkömmlichen Asynchronmaschinen wurden die über einen Statorgrundkörper in axialer Richtung abragenden und umgelenkten Bereiche von Wicklungen, d.h. der Wickelkopf, bisher in der Regel derart vergossen, dass der Verguss im Querschnitt eine im Wesentlichen recheckige Form aufweist oder einen abragenden Meniskus aufweist. Ein derart im Querschnitt rechteckiger Verguss ist verhältnismäßig einfach herstellbar.
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Allerdings wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung erkannt, dass es bei herkömmlich vergossenen Wickelköpfen aufgrund einer solchen typischerweise rechteckigen Geometrie zu Problemen bei der Kühlung während des Betriebs der elektrischen Maschine kommen kann.
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Insbesondere wurde nun erkannt, dass es an radial innen liegenden Kanten eines im Querschnitt rechteckigen Vergusses zu Verwirbelungen eines Kühlfluidstroms kommen kann. Dies kann bewirken, dass ein Kühlfluid unzureichend gefördert wird und in sogenannten „Totgebieten“ sogar lokal über längere Zeiträume verweilen kann, so dass hierdurch lokale Überhitzungen und thermische Degradationen des Kühlfluids bewirkt werden können oder es zu einer mangelnden Kühlung des Wickelkopfes kommen kann.
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Basierend auf dieser Erkenntnis wird daher vorgeschlagen, einen Verguss eines Wickelkopfs in einer elektrischen Maschine derart auszugestalten, dass sich an einem radial innenliegenden Bereich am Stirnende des Stators, d.h. an einem Bereich, an dem eine innenliegende Mantelfläche in eine Stirnfläche des hohlzylindrischen Stators übergeht, eine Verrundung bildet. An einer solchen Verrundung reißt eine Kühlfluidströmung nicht mehr abrupt ab sondern kann vorzugsweise laminar oder mit einer gezielt beeinflussten Verwirbelung entlang der gesamten Statorinnenseite, insbesondere entlang des gesamten Vergusses, strömen. Es entstehen vorzugsweise keine „Totwassergebiete“ sondern die Stirnflächen des Stators werden durch die Abrundungen besser umströmt, wodurch Wärme aus dem Verguss besser abgeführt werden kann. Ferner können durch die Verrundung des Vergusses thermomechanische Spannungen aufgrund von thermischen Dehnungen reduziert werden. Hierdurch können Lebensdauer und Rissbeständigkeit des Vergusses verbessert werden.
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Die Verrundung kann dabei vorzugsweise einen Krümmungsradius aufweisen, der größer ist als eine Querschnittsbreite der in dem Verguss vergossenen Leiter der Statorwicklungen.
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Unter einer Querschnittsbreite kann hierbei beispielsweise bei runden Leitern deren Durchmesser verstanden werden. Allerdings können die Leiter auch andere Querschnitte aufweisen, wobei die Querschnittsbreite als größtmögliche Abmessung entlang des Querschnitts eines länglichen Leiters interpretiert werden kann.
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Anders ausgedrückt kann die an der Innenseite des Vergusses des Wickelkopfs vorgesehene Verrundung einen wesentlich größeren Krümmungsradius aufweisen als die Querschnittskontur der Statorwicklungsleitungen.
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Auf jeden Fall sollte die Verrundung makroskopisch sein, das heißt im Vergleich zu den sonstigen Dimensionen des Vergusses eine deutliche Abrundung an einer radial nach innen und axial nach außen gerichteten Kante des ringförmigen Vergusses im Vergleich zu einer bisherigen im Querschnitt rechteckigen Geometrie darstellen.
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Beispielsweise kann die Verrundung einen Krümmungsradius aufweisen, der größer ist als 10%, vorzugsweise größer als 20% der Dicke des Vergusses in Radialrichtung. Anders ausgedrückt sind bei einem Verguss vorzugsweise zumindest wenigstens die am weitesten innenliegenden 10% der Stirnfläche des Vergusses nicht eben sondern verrundend gekrümmt ausgebildet.
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Die Verrundung kann dabei vorzugsweise konvex sein. An eine solche makroskopische, konvexe Verrundung kann sich eine Kühlfluidströmung gut anschmiegen, so dass Strömungsabrisse weitgehend vermieden werden können.
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Der Verguss kann aus einem aushärtbaren Kunststoff wie beispielsweise einem Thermoplast oder einem Duroplast bestehen. Solche Materialien sind einerseits einfach verarbeitbar, beispielsweise durch Spritzgussverfahren, und können andererseits für eine langfristig zuverlässige Fixierung von Komponenten des Stators zueinander sorgen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine hierin mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die verschiedenen Merkmale in geeigneter Weise ausgetauscht beziehungsweise kombiniert werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine Schnittansicht durch Komponenten einer herkömmlichen elektrischen Maschine.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stators einer elektrischen Maschine vor dem Vergießen.
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3 zeigt eine Schnittansicht einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt eine teilweise weggeschnittene, perspektivische Ansicht eines Stators und eines Gehäuses einer herkömmlichen elektrischen Maschine.
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5 zeigt eine teilweise weggeschnittene, perspektivische Ansicht eines Stators und eines Gehäuses einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder gleich wirkende Merkmale sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen betitelt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt Komponenten und Merkmale einer herkömmlichen elektrischen Maschine 1 im Querschnitt. Die Figur zeigt lediglich eine rechte Hälfte des Querschnitts. Ein gesamter Querschnitt ergibt sich durch Spiegelung an der Symmetrieachse S.
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Die elektrische Maschine 1 weist einen Rotor 3, einen den zylindrischen Rotor 3 umgebenden hohl-zylindrischen Stator 5 und ein den Stator 5 umgebendes hohl-zylindrisches Gehäuse 7 auf. Gemeinsam bilden die Komponenten 3, 5, 7 eine als Innenläufer ausgebildete Asynchronmaschine, bei der der Rotor 3 um die Symmetrieachse S rotieren kann und von in dem Stator 5 erzeugten Magnetfeldern hierzu angetrieben wird. Der Stator 5 ist an dem Gehäuse 7 fixiert, welches wiederum beispielsweise an einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs befestigt sein kann.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stators 5 vor dem Vergießen. Hierbei ist die Ebene A-A angegeben, entlang derer die Querschnittsansicht aus 1 aufgenommen ist. Der Stator 5 weist einen Statorgrundkörper 9 auf, der aus einer Mehrzahl von zu einem Paket zusammengesetzten Statorblechen aufgebaut ist. In dem Statorgrundkörper 9 sind Nute 13 ausgebildet. In diese Nute 13 sind als elektrische Leiter wirkende Drähte 11 eingewickelt und bilden Statorwicklungen 15. Die Statorwicklungen 15 verlaufen zwischen zwei gegenüber liegenden Stirnenden 6 des Stators 5 entlang seiner Längsrichtung. An den Stirnenden 6 selbst ragen die Statorwicklungen 15 über den Statorgrundkörper 9 in Längsrichtung über und bilden hierbei so genannte Wickelköpfe 17. Im Bereich dieser Wickelköpfe 17 verlaufen die einzelnen Statorwicklungen 15 quer zur Längsrichtung des Stators 5, etwa in dessen Umfangsrichtung.
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Um die Statorwicklungen 15 untereinander und in Bezug auf den Statorgrundkörper 9 zu fixieren, werden sie üblicherweise mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff umgossen. Der Kunststoff bildet dabei einen Verguss 19. Herkömmlich weist der Verguss dabei die in 1 dargestellte, im Wesentlichen im Querschnitt rechteckige Form auf.
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Der Verguss kann dabei beispielsweise derart gebildet werden, dass ein zylindrischer Hohlraum, in dem sich sowohl der Lamellengrundkörper 9 als auch die Wicklungen 15 des Wickelkopfs 17 befinden, mit flüssigem Kunststoff aufgefüllt wird und der Kunststoff nachfolgend ausgehärtet wird. Der zylindrische Hohlraum kann hierbei nach außen hin von dem Gehäuse 7 und nach innen hin von einer vorzugsweise ebenfalls zylindrischen Matrizenform begrenzt werden. Nach dem Aushärten bildet der Kunststoff einen im Idealfall im Querschnitt rechteckigen Verguss 19, in den sowohl die Komponenten des Statorgrundkörpers 9 als auch die Statorwicklungen 15 eingelagert sind. Es wird häufig beobachtet, dass der Verguss 19 an seinen zu den Stirnenden 6 des Stators 5 gerichteten Oberflächen jedoch nicht eben ist, sondern sich aufgrund von Oberflächenspannungen und Benetzbarkeiten oder durch Volumenverluste beim Aushärten während bzw. nach dem Vergießen konvexe, menisken-artige Fortsätze 21, 23 bilden (in 1 teilweise gestrichelt dargestellt).
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Es wurde nun von den Erfindern der vorliegenden Erfindung erkannt, dass der rechteck-förmige Querschnitt beziehungsweise insbesondere die menisken-artigen Fortsätze 21 an einer Innenseite des Vergusses 19 zu Problemen bei der Kühlung des Stators 5 führen können. Während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 wird im Allgemeinen ein Kühlfluid beispielsweise in Form eines Luftstroms oder eines Flüssigkeitsstroms durch das Innere des Stators 5 geleitet.
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Der Fluidstrom 27 durchströmt dabei einen Spalt 25 zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 5. Genauere Untersuchungen haben ergeben, dass es insbesondere in der Nähe der radial innen liegenden und in Axialrichtung hin zum Stirnende des Stators 5 liegenden Kante 29 des Vergusses 17 zu lokalen thermisch bedingten mechanischen Spannungen kommen kann. Dies wurde darauf zurückgeführt, dass die Strömung 27 im Bereich der scharfen Kante 29 beziehungsweise des menisken-artigen Vorsprungs 21 lokale Verwirbelungen 28 bilden kann. Damit einhergehend können Strömungsabrisse auftreten und es können sich „Totgebiete“ bilden, in denen es nicht zu einem kontinuierlichen Kühlfluidaustausch kommt.
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Es wird daher vorgeschlagen, den Verguss 19 an dem Stator 5 wie in 3 dargestellt zu modifizieren. An einem einen Wickelkopf 17 einschließenden Verguss 19 wird dabei an einer radial innen liegenden und zum zugehörigen Stirnende des Gehäuses 7 gerichteten Oberfläche eine Verrundung 31 vorgesehen. Diese Verrundung 31 ist konvex und weist einen Krümmungsradius R auf, der wesentlich größer ist als ein Durchmesser d der Leiter der Statorwicklungen 15. Insbesondere kann der Krümmungsradius R größer als 10% der Dicke D des Vergusses in Radialrichtung sein. Aufgrund einer solchen Verrundung 31 kann eine Fluidströmung 27 an der Innenseite des Stators 5 sich auch im Bereich der Stirnenden 6 des Stators 5 an den Verguss 19 anschmiegen. Verwirbelungen und Strömungsabrisse werden weitgehend vermieden, so dass eine kontinuierliche und ganzflächige Kühlung erreicht werden kann. Hierdurch können thermisch bedingte mechanische Spannungen erheblich reduziert werden.
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Die Verrundung 31 des Vergusses 19 kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann ein zunächst im Querschnitt rechteckig gegossener Verguss 19 nachträglich durch eine geeignete Nachbehandlung verrundet werden. Als Nachbehandlung kann ein Drehen, Schleifen, Schmirgeln, etc. vorgesehen sein. Alternativ kann der Verguss 19 gleich mit einer geeigneten Verrundung 31 gegossen werden, indem eine geeignete Matrizenform verwendet wird.
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In den 4 und 5 wird der Unterschied zwischen einem Stator 5 mit herkömmlicher Verguss-Geometrie (4) und einem Stator 5 mit erfindungsgemäßer Verguss-Geometrie (5) in perspektivischer Ansicht verdeutlicht. Während bei der herkömmlichen Verguss-Geometrie eine scharfe Kante 29 Verwirbelungen und Strömungsabrisse in durchströmendem Kühlfluid provozieren kann, wird dies bei der mit der Verrundung 31 versehenen Verguss-Geometrie, wie sie in 5 dargestellt ist, vermieden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009055325 A1 [0006]
