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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, wie beispielsweise für Antriebseinheiten von Kraftfahrzeugen, insbesondere elektrische Maschinen mit Scheibenrotoren.
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Stand der Technik
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Mit Scheibenläufern ausgebildete elektrische Maschinen zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte bei einem vergleichsweise geringen Gewicht aus. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 2009/115247 A1 eine Transversalflussmaschine mit einem Scheibenrotor bekannt. In eine Rotorscheibe des Scheibenrotors sind in konstantem Abstand von einer Drehachse Permanentmagnete eingebettet, die in Umfangsrichtung magnetisiert sind. Benachbarte Permanentmagnete sind zueinander entgegengesetzt magnetisiert, so dass die einander zugewandten Pole zweier benachbarter Permanentmagnete jeweils gleichartig sind. Die Feldlinien zwischen diesen gleichartigen Polen werden damit so überlagert, dass ein sich in axialer und radialer Richtung von dem Polzwischenraum ausbreitendes Rotormagnetfeld erzeugt wird.
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Der Scheibenrotor kann axial zwischen zwei Statoreinheiten angeordnet sein, die jeweils eine konzentrisch um eine Motorachse verlaufende Statorwicklung aufweisen können. Jede der Statoreinheiten weist sich in Umfangsrichtung erstreckende und in Richtung des Scheibenrotors hervorstehende Statorzähne auf.
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Bei der Bestromung der Statorwicklung einer Statoreinheit wirkt eine Kraft auf die Magnetpole des Scheibenrotors in Richtung des in Umfangsrichtung am nächsten gelegenen Magnetpols der Statoreinheiten, der eine zu dem betreffenden Magnetpol entgegengesetzte Magnetisierung aufweist. Dadurch kann ein von der Position des Scheibenrotors sowie von Betrag und Vorzeichen des Statorstroms abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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In Scheibenläufermaschinen kommt es aufgrund von Stromflüssen durch die elektrischen Leiter der Statorwicklung sowie durch an der Oberfläche des magnetischen Materials auftretenden Wirbelströme zu einer Wärmeentwicklung. Dazu sieht die Druckschrift
WO 2009/115247 vor, die Statorwicklung mit Hohlleitern auszuführen, durch die Kühlmittel geleitet wird, um eine Kühlung zu erreichen. Gegenüber einer externen Kühlung bewirkt die Verwendung von Hohlleitern für die Statorwicklung eine sehr gute Wärmeabfuhr und ermöglicht dadurch zum Beispiel eine Erhöhung der maximalen Stromdichte. Dieses Kühlkonzept stellt jedoch einen Nachteil bei der Fertigung dar, der in der Notwendigkeit einer aufwändigen Innenisolation des Hohlleiters für die Statorwicklung besteht. Weiterhin besteht ein Nachteil darin, dass ein Hohlleiter Wärme, die im magnetischen Kreis entsteht, nur indirekt über die Statorwicklungen abführen kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Statoreinheit zum Aufbau einer mehrphasigen elektrischen Maschine, insbesondere einer Scheibenläufermaschine, zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Abfuhr der Wärme ermöglicht, die durch eine Stromleitung in der Statorwicklung sowie durch Wirbelströme in dem magnetischen Material entstehen kann. Weiterhin soll die Statoreinheit einen einfachen Aufbau der mehrphasigen elektrischen Maschine ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Statoreinheit für eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere für eine Scheibenläufermaschine, gemäß Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine elektrische Statoreinheit für eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere für eine Scheibenläufermaschine, vorgesehen, umfassend:
- – einen Rückschlussbereich aus magnetischem Material mit einer Fläche;
- – mehrere von der Fläche hervorstehende Statorzähne, die in Umfangsrichtung zueinander benachbart in mindestens einer kreisförmigen Statorzahnanordnung angeordnet sind und zwischen denen Zwischenräume zur Aufnahme von Statorwicklungen vorgesehen sind, wobei durch die Zwischenräume Statorwicklungen für jede Phase geführt sind, so dass jede der Statorwicklungen mehrfach in Form von Schlingen zwischen mindestens einem radial äußeren Ende mindestens eines Statorzahns und mindestens einem radial inneren Ende mindestens eines weiteren Statorzahns der Statorzahnanordnung verläuft; und
- – eine von den Statorwicklungen separat vorgesehene Kühleinrichtung zum Leiten eines Kühlmittels, um Wärme von den Statorwicklungen und den Statorzähnen abzuleiten.
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Eine Idee der obigen Statoreinheit für eine elektrische Maschine besteht darin, die Zwischenräume zwischen den Statorzähnen, die zur Aufnahme von Wicklungssträngen der Statorwicklung vorgesehen sind, zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit zu verwenden. Insbesondere bei Statoranordnungen mit ringförmig nebeneinander angeordneten Statorzähnen erstrecken sich Zwischenräume zur Aufnahme der Wicklungsstränge in radialer Richtung zwischen den Statorzähnen, so dass ein Kühlmittelstrom von einem radial innen liegenden Kühlmittelvolumen zu einem radial außen liegenden Kühlvolumen oder umgekehrt erzielt werden kann. Dadurch ist es möglich, dass das Kühlmittel sowohl mit dem magnetischen Material der Statorzähne als auch mit dem Material der Wicklungsstränge der Statorwicklung in gutem thermischen Kontakt steht und auf diese Weise sowohl eine optimale Kühlung des magnetischen Materials der Statorwicklung als auch der Wicklungsstränge erreicht werden kann.
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Weiterhin können ein bezüglich der Statorzahnanordnung radial außen liegendes Kühlmittelvolumen sowie ein bezüglich der Statorzahnanordnung radial innen liegendes Kühlmittelvolumen ausgebildet sein, um das Kühlmittel durch die Zwischenräume zwischen den Statorzähnen und an den in den Zwischenräumen liegenden Abschnitten der Statorwicklungen vorbei zu leiten.
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Gemäß einer Ausführungsform können ein Kühlmittelkanal konzentrisch radial außen um die Statorzahnanordnung herum und/oder ein Kühlmittelkanal konzentrisch radial innen an der Statorzahnanordnung verlaufend angeordnet sein, durch die jeweils Kühlmittel umlaufend geführt sein kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können Verbindungsabschnitte zwischen dem konzentrisch radial außen angeordneten Kühlmittelkanal und dem konzentrisch radial innen liegenden Kühlmittelkanal vorgesehen sein, wobei die Verbindungsabschnitte durch die Zwischenräume zwischen den Statorzähnen und/oder zwischen dem Rückschlussbereich und einer Statorwicklung und/oder zwischen zwei Lagen von Statorwicklungen geführt sind, so dass Kühlmittel von dem konzentrisch radial außen angeordneten Kühlmittelkanal zu dem konzentrisch radial innen liegenden Kühlmittelkanal oder umgekehrt leitbar ist.
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Insbesondere können der oder die Kühlmittelkanäle durch Kühlmittelleitungen ausgebildet sein und an die nach radial außen oder innen weisenden Seiten der Statorwicklungen angelegt sein.
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Es kann ein Kühlmittelkanal, insbesondere in Form einer Kühlmittelleitung, schleifenförmig bzw. schlingenförmig durch die Zwischenräume zwischen den Statorzähnen und zwischen dem Rückschlussbereich und einer Statorwicklung und/oder zwischen zwei Lagen von Statorwicklungen geführt sein.
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Zumindest können die Zwischenräume zwischen den Statorzähnen mit einer Vergussmasse vergossen sein, wobei in die Vergussmasse Bohrungen und/oder Fräsungen zum Ausbilden von Kühlmittelkanälen eingebracht sind, um Kühlmittel zwischen einem bezüglich der Statorzahnanordnung radial außen liegenden Bereich und einem bezüglich der Statorzahnanordnung radial innen liegenden Bereich zu leiten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – einen Scheibenrotor mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden magnetisch aktiven Anordnung; und
- – mindestens eine der obigen Statoreinheiten, die axial versetzt zu dem Scheibenrotor angeordnet ist, wobei sich die radialen Breiten der magnetisch aktiven Anordnung und der mindestens einen Statorzahnanordnung entsprechen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a, 1b und 1c Darstellungen verschiedener Ansichten einer mehrphasigen elektrischen Maschine mit einem Scheibenrotor;
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2 eine perspektivische Darstellungen eines Ausschnitts aus einer Statoreinheit mit veränderter Startorzahnform;
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3 eine perspektivische Darstellung einer Statoreinheit mit konzentrischen Kühlmittelkanälen, die durch Verbindungsabschnitte verbunden sind;
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4 eine perspektivische Darstellung einer Statoreinheit mit in Schlingen um die Statorzähne verlaufenden Kühlmittelkanal;
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5 eine Draufsicht auf eine mit Vergussmaterial vergossene Statoreinheit mit einem eingebrachten Kühlmittelkanal.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die 1a, 1b und 1c zeigen Querschnittsdarstellungen einer dreiphasigen elektrische Maschine 1, die in dieser beispielhaften Ausführungsform als eine Scheibenläufermaschine ausgebildet ist, mit einem Scheibenrotor 2 (Scheibenläufer). 1a zeigt eine radiale Draufsicht auf einen Querschnitt in Umfangsrichtung U, 1b eine Querschnittsansicht in tangentialer Richtung und 1c eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer der Statoreinheiten 3.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst beispielsweise zwei Statoreinheiten 3, zwischen denen der Scheibenrotor 2 drehbeweglich um eine Drehachse angeordnet ist, die sich entlang einer axialen Richtung A erstreckt. Der Scheibenrotor 2 ist aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet, wie beispielsweise aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff oder dergleichen, und enthält eine ringförmige magnetisch aktive Anordnung, z.B. in Form von darin eingebetteten, ringförmig angeordneten, einzelnen Permanentmagneten 4, ringförmig angeordneten, einzelnen weichmagnetischen Elementen oder einem umlaufenden elektrisch leitenden Ring.
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Die Permanentmagnete 4 sind entlang einer ringförmigen Magnetringanordnung in dem Scheibenrotor 2 vorgesehen, wobei die Permanentmagnete 4 in der Magnetringanordnung in einer Umfangsrichtung U voneinander beabstandet sind.
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Die Polarisierung der Permanentmagnete 4 ist in der Magnetringanordnung in Umfangsrichtung U ausgerichtet, wobei die Polarisierungen von jeweils zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Permanentmagneten 4 zueinander entgegengesetzt sind, so dass jeweils gleichpolige Magnetpole einander zugewandt sind. Die einander in Umfangsrichtung U zugewandten Magnetpole der Permanentmagnete 4 bilden Rotorpole mit einem resultierenden Magnetfeld aus, die sich von dem Bereich zwischen jeweils zwei Magnetpolen der Permanentmagnete 4 in radialer Richtung R und axialer Richtung A aus dem Scheibenrotor 2 erstrecken.
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Es können auch zwei oder mehr als zwei Magnetringanordnungen vorgesehen sein, wobei die Magnetringanordnungen dabei vorzugsweise konzentrisch sein können. In diesem Fall ist die radiale Breite jeder Magnetringanordnung im Wesentlichen identisch und vorzugsweise ist die Anzahl der Permanentmagnete 4 in jeder der Magnetringanordnungen ebenfalls gleich.
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Die Statoreinheiten 3 sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei der Scheibenrotor 2 frei drehbeweglich so zwischen den Statoreinheiten 3 angeordnet ist, dass die durch die Permanentmagnete 4 der Magnetringanordnung ausgebildeten Rotorpole zwischen Statorzähnen 31 der Statoreinheiten 3 verlaufen.
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Die Statorzähne 31 sind in jeder der Statoreinheiten 3 ringförmig entlang einer Statorzahnanordnung 36 angeordnet, so dass die Statorzahnanordnungen 36 beider Statoreinheiten 3 einander gegenüberliegen. Die Statorzahnanordnungen 36 beider Statoreinheiten 3 weisen vorzugsweise die gleiche radiale Breite auf und liegen sich in axialer Richtung A gegenüber.
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Die Statorzähne 31 bilden gemeinsam mit einem magnetischen Rückschlussbereich 35 einen Statorkörper aus magnetisch leitfähigem Material. Die Statorzähne 31 können an dem magnetischen Rückschlussbereich 35 angebracht bzw. einstückig mit diesem, z. B. durch Pressformen eines SMC-Materials, ausgebildet sein. Die Statorzähne 31 sind jeweils in axialer Richtung A, d. h. in Richtung der Drehachse des Scheibenrotors 2, von dem Statorkörper hervorstehend, d. h. als Vorsprünge, ausgebildet.
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Die Statorzähne 31 erstrecken sich in radialer Richtung R möglichst über die gesamte radiale Breite der Permanentmagnete 4 im Scheibenrotor 2, wobei die Statorzähne 31 in Umfangsrichtung U durch Zwischenräume 32 voneinander beabstandet sind, um darin Wicklungsstränge der Statorwicklungen 34 mit jeweils einem oder mehreren Wicklungsdrähten (je nach Windungszahl) aufzunehmen. An jeder Statoreinheit 3 befindet sich eine Anzahl von separaten Statorwicklungen 34, die der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine 1 entspricht.
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Die einer Phase zugeordneten Statorwicklungen 34 sind bezüglich der einander gegenüberliegenden Statoreinheiten 3 jeweils in Umfangsrichtung U zueinander versetzt angeordnet. Auf diese Weise können die Feldlinien im Luftspalt, die sich aus der Überlagerung der von den Permanentmagneten 4 im Scheibenrotor 2 und von den Statorwicklungen 34 in den Statoreinheiten 3 erzeugten Magnetfelder ergeben und die die Bildung des Motormoments verursachen, im Wesentlichen schräg zur axialen Richtung A bzw. in Umfangsrichtung U geneigt zur axialen Richtung A verlaufen, also im Wesentlichen quer zur Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 4.
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Wie insbesondere in der 1c zu erkennen ist, weisen die Statorzähne 31 in der gezeigten Ausführungsform einen in radialer Richtung R länglichen Querschnitt (bezüglich der axialen Richtung A) auf, der sich in radialer Richtung R nach innen verjüngen kann. Radial innere und äußere Enden 37, 38 der Statorzähne 31 können abgerundet sein, so dass der entsprechende Wicklungsstrang der entsprechenden Statorwicklung 34 beim Anlegen dem Verlauf der Rundung angepasst werden kann.
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Die Zwischenräume 32 zwischen den Statorzähnen 31 dienen dazu, die Statorzähne 31 magnetisch voneinander zu trennen und die Statorwicklungen 34 aufzunehmen. Die Wicklungsstränge der Statorwicklungen 34 der einzelnen Phasen sind in Form von Schleifen bzw. Schlingen 39 um die Statorzähne 31 geführt. Die Höhe der Statorzähne 31 in axialer Richtung A ist so gewählt, dass sich zumindest für jede Phase der Wicklungsstrang der entsprechenden Statorwicklung 34 einlegen lässt. Wie in 1c am Beispiel der dreiphasigen elektrische Maschine 1 dargestellt, ist die Höhe der Statorzähne 31 in axialer Richtung A ausreichend, um drei Lagen von Statorwicklungen 34 übereinander anzuordnen.
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Die Statorwicklungen 34 können für eine dreiphasige elektrische Maschine 1 um einen Winkel von 120°/elektrische Motorlage (also 120°/Polpaarzahl mechanisch) versetzt sein. Durch diese Ausführung wird die Gesamtleistung der elektrischen Maschine 1 deutlich erhöht, da der durch jede Phase bewirkte Beitrag des Statormagnetfelds auf die gesamte radiale Höhe der durch die Permanentmagnete 4 ausgebildeten Rotorpole wirkt. Dadurch wird der Fluss in jeder Phase erhöht, was zu einer höheren induzierten Spannung führt. Statorwicklungen 34 für jede Phase umgeben die gleichen Statorzähne 31 einer Statorzahnanordnung 36, so dass keine induktionsbedingte Asymmetrie hinsichtlich der Eigenschaften der elektrischen Maschine 1 auftreten kann. Insbesondere sind die induzierten Spannungen, der Phasenwiderstand und die Induktivität für jede Phase nahezu identisch.
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Um eine geeignete Kühlung für die Statoranordnung 3 bereitzustellen, ist vorgesehen, die in der Statoranordnung 3 vorgesehenen Strukturen von einem Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, Öl oder dergleichen, umströmen zu lassen. Dazu kann vorgesehen sein, den Bereich der Statorzähne 31 bezüglich der Umgebung dicht abzuschließen, so dass zwischen einem Gehäuse 50 und der Statoreinheit 3 ein radial außen liegendes Kühlmittelvolumen 51 und ein radial innen liegendes Kühlmittelvolumen 52 gebildet wird. Dies ist deutlich in 1b dargestellt, die eine Schnittdarstellung in radialer Richtung R durch die elektrische Maschine 1 zeigt.
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Zum Ausbilden der Kühlmittelvolumina 51, 52 weist das Gehäuse 50 eine ringförmige erste außen liegende Statorwand 53 und eine ringförmige innen liegende zweite Statorwand 54 auf, die sich in axialer Richtung A von einem an der den Statorzähnen 31 abgewandten Seite des Rückschlussbereichs 35 angeordneten Rückteil 55 erstrecken und sich dadurch an den Rückschlussbereich 35 anschließen und zwischen sich die Statorzähne 31 und die Statorwicklungen 34 aufnehmen. Die ringförmigen Statorwände 53, 54 erstrecken sich mindestens mit gleicher axialer Länge über den Rückschlussbereich 35 hinaus wie die Statorzähne 31. Um den durch die Statorzähne 31 gebildeten Bereich zur Aufnahme des Kühlmittels abzudichten, ist stirnseitig der von dem Rückschlussbereich 35 abstehenden Statorzähne 31 eine Dichtung 56 vorgesehen. Die Dichtung 56 dichtet den Bereich des Kühlmittels ab, indem die Bereiche zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 31 an deren stirnseitigen (abstehenden) Enden bzw. zwischen einem Statorzahn 31 und einer der Statorwände 53, 54 durch einen entsprechenden Abschnitt der Dichtung 56 verschlossen werden.
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Sowohl die erste als auch die zweite Statorwand 53, 54 können mit einer ersten bzw. mit einer zweiten Durchgangsöffnung 57, 58 versehen sein, um die Zufuhr und Abfuhr von Kühlmittel in den und aus dem Bereich der Statorzähne 31 zu ermöglichen. Insbesondere kann Kühlmittel durch die erste Durchgangsöffnung 57 zugeführt und durch die zweite Durchgangsöffnung 58 abgeführt werden. In der Ausführungsform der 1a bis 1c gelangt das Kühlmittel direkt in Kontakt mit dem Wicklungsstrang und den Oberflächen der Statorzähne 31 und kann dadurch eine optimale Wärmeabfuhr gewährleisten. Eine solche Kühlung ermöglicht zum Beispiel eine Erhöhung der Stromdichte in den Wicklungssträngen der Statorwicklungen 34. Die Dichtung 56 kann beispielsweise mit einer Vergussmasse 91 ausgeführt werden.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform anhand eines Ausschnitts einer weiteren beispielhaften Statoreinheit 3 mit ineinander greifenden keilförmigen Statorzähnen 31 dargestellt. Konzentrische Kühlmittelkanäle 61, 62 sind radial außerhalb und radial innerhalb um die Wicklungsstränge der Statorwicklung 34 geführt bzw. an diesen vorbeigeführt, wobei sich der entsprechende Kühlmittelkanal 61, 62 möglichst nahe an den Wicklungssträngen der Statorwicklungen 34 befinden sollte bzw. die abschnittsweise kontaktieren sollte. In alternativen Ausführungsformen kann auch nur einer der beiden Kühlmittelkanäle 61, 62 vorgesehen sein. Bei einer solchen Ausführungsform kann das Isolierungsfehlerrisiko gegenüber der hier zuvor beschriebenen Ausführungsform reduziert werden.
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Bei der Ausführungsform der 3 wird eine vorzugsweise vorgeformte Kühlungsmatrix 70 auf die Statorzähne 31 aufgesetzt, bevor diese mit den Statorwicklungen 34 bewickelt werden. Die Kühlungsmatrix 70 ist an die Form der Zwischenräume 32 zwischen den Statorzähnen 31 angepasst und sieht einen äußeren ringförmigen Kühlmittelkanal 71 und einen inneren ringförmigen Kühlmittelkanal 72 vor, die durch Verbindungsabschnitte 73 miteinander verbunden sind, so dass Kühlmittel von dem äußeren Kühlmittelkanal 71 zu dem inneren Kühlmittelkanal 72 bzw. umgekehrt fließen kann. Die Kühlkanalmatrix 70 ist insbesondere mit ihren Verbindungsabschnitten 73 so geformt, dass sie sich auf die Statorzähne 31 aufsetzen lässt. Auf diese Weise kann eine anschließende Bewicklung mit den Statorwicklungen 34 gewährleisten, dass die Kühlleitungsmatrix 70 zwischen dem Rückschlussbereich 35 und dem zuerst gewickelten Wicklungsstrang der Statorwicklung 34 liegt.
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In einer weiteren Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, ist eine Kühlmittelleitung bzw. ein Kühlmittelkanal 80 schleifenförmig um die Statorzähne 31 angeordnet, insbesondere gemäß einem Wicklungsschema bzw. einem Wicklungsverlauf, der einem Wicklungsverlauf einer der Statorwicklungen 34 entspricht. Auch mehrere derartige Kühlmittelkanäle 80 können zwischen dem Rückschlussbereich 35 und der ersten Statorwicklung 34 bzw. zwischen zwei Statorwicklungen 34 angeordnet sein. Die Kühlmittelkanäle 71, 72, 73, 80 der Ausführungsformen der 3 und 4 können entweder aus einem metallischen Material mit guter thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer oder dergleichen, ausgebildet sein, oder einem anderen elektrisch nicht leitenden thermisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Kunststoff.
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Wie in 5 gezeigt ist, kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Statorzähne 31 und die Statorwicklungen 34 mit einer Vergussmasse 91 vergossen werden und in die Vergussmasse 91 durch Bohrungen und/oder Fräsungen 92 Kühlmittelkanäle 90 eingebracht werden. Dadurch kann eine zuverlässige Isolation des Kühlmittels gegen das Material der Statorzähne 31 und gegen die Wicklungsstränge gewährleistet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/115247 A1 [0002]
- WO 2009/115247 [0005]
