DE102014205034A1

DE102014205034A1 - Stator unit for an electric machine and electric machine

Info

Publication number: DE102014205034A1
Application number: DE102014205034.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Braun; Mickael Kremer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Statoreinheit (3) für eine mehrphasige elektrische Maschine (1), umfassend: – einen Rückschlussbereich (35) aus magnetischem Material mit einer Fläche; – mehrere von der Fläche hervorstehende Statorzähne (31), die in Umfangsrichtung (U) zueinander benachbart in mindestens einer kreisförmigen Statorzahnanordnung (36) angeordnet sind und zwischen denen Zwischenräume (32) zur Aufnahme von Statorwicklungen (34) vorgesehen sind, wobei durch die Zwischenräume (32) Statorwicklungen (34) für jede Phase geführt sind, so dass jede der Statorwicklungen (34) mehrfach in Form von Schlingen (39) zwischen mindestens einem radial äußeren Ende (37) mindestens eines Statorzahns (31) und mindestens einem radial inneren Ende (38) mindestens eines weiteren Statorzahns (31) der Statorzahnanordnung (36) verläuft; und – eine von den Statorwicklungen (34) separat vorgesehene Kühleinrichtung zum Leiten eines Kühlmittels, um Wärme von den Statorwicklungen (34) und den Statorzähnen (31) abzuleiten.The invention relates to a stator unit (3) for a multi-phase electric machine (1), comprising: - a magnetic material return area (35) having a surface; - A plurality of projecting from the surface stator teeth (31) in the circumferential direction (U) adjacent to each other in at least one circular Statorzahnanordnung (36) are arranged and between which intermediate spaces (32) for receiving stator windings (34) are provided, wherein through the intermediate spaces (32) stator windings (34) are guided for each phase, so that each of the stator windings (34) in the form of multiple loops (39) between at least one radially outer end (37) of at least one stator tooth (31) and at least one radially inner end (38) at least one further stator tooth (31) of the stator tooth arrangement (36) extends; and - a cooling means provided separately from the stator windings (34) for conducting a coolant to dissipate heat from the stator windings (34) and the stator teeth (31).

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, wie beispielsweise für Antriebseinheiten von Kraftfahrzeugen, insbesondere elektrische Maschinen mit Scheibenrotoren. The present invention relates to electric machines, such as for drive units of motor vehicles, in particular electric machines with disc rotors.

Stand der Technik State of the art

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. Trained with disc rotors electrical machines are characterized by a high power density at a comparatively low weight. For example, from the document WO 2009/115247 A1 a transverse flux machine with a disc rotor known. In a rotor disk of the disk rotor permanent magnets are embedded at a constant distance from a rotation axis, which are magnetized in the circumferential direction. Adjacent permanent magnets are magnetized opposite to each other, so that the mutually facing poles of two adjacent permanent magnets are each similar. The field lines between these similar poles are thus superimposed so that a rotor magnetic field propagating in the axial and radial directions from the pole gap is generated.

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. The disk rotor may be arranged axially between two stator units, which may each have a concentric about a motor axis extending stator winding. Each of the stator units has circumferentially extending and projecting toward the disc rotor stator teeth.

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. When the stator winding of a stator unit is energized, a force acts on the magnetic poles of the disk rotor in the direction of the magnetic pole of the stator units which is located closest to the circumference and has a magnetization opposite to the relevant magnetic pole. As a result, a torque which is dependent on the position of the disk rotor and on the magnitude and sign of the stator current can be generated.

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. In pancake machines, due to current flows through the electrical conductors of the stator winding and due to eddy currents occurring at the surface of the magnetic material, heat is generated. See the document WO 2009/115247 to perform the stator winding with waveguides through which coolant is passed to achieve cooling. Compared to an external cooling, the use of waveguides for the stator winding causes a very good heat dissipation and thereby makes it possible, for example, to increase the maximum current density. However, this cooling concept is a disadvantage in the manufacturing, which consists in the need for a complex internal insulation of the waveguide for the stator winding. Furthermore, a disadvantage is that a waveguide heat dissipated in the magnetic circuit, can dissipate only indirectly through the stator windings.

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. It is an object of the present invention to provide a stator unit for constructing a polyphase electrical machine, in particular a pancake machine, which enables an improved dissipation of the heat, which can result from a current conduction in the stator winding as well as eddy currents in the magnetic material. Furthermore, the stator should allow a simple construction of the multi-phase electric machine.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

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. This object is achieved by the stator unit for a multi-phase electric machine, in particular for a disc rotor machine, according to claim 1 and by the electric machine according to the independent claim.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Further embodiments are specified in the dependent claims.

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.

According to a first aspect, an electric stator unit is provided for a multi-phase electric machine, in particular for a disc rotor machine, comprising:

A return area of magnetic material having a surface;
- A plurality of protruding from the surface stator teeth, which are circumferentially adjacent to each other in at least one circular Statorzahnanordnung and between which spaces are provided for receiving stator windings, being guided through the gaps stator windings for each phase, so that each of the stator windings in multiple form of loops extends between at least one radially outer end of at least one stator tooth and at least one radially inner end of at least one further stator tooth of the stator tooth arrangement; and
A cooling means provided separately from the stator windings for conducting a coolant to dissipate heat from the stator windings and the stator teeth.

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. An idea of the above stator unit for an electric machine is to use the gaps between the stator teeth, which are provided for receiving winding strands of the stator winding, for passing a cooling liquid. In particular, arranged in stator arrays with annular side by side Stator teeth extend spaces for receiving the winding strands in the radial direction between the stator teeth, so that a coolant flow from a radially inner coolant volume can be achieved to a radially outer cooling volume or vice versa. As a result, it is possible that the coolant is in good thermal contact both with the magnetic material of the stator teeth and with the material of the winding strands of the stator winding, and thus optimum cooling of the magnetic material of the stator winding as well as of the winding strands can be achieved.

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. Furthermore, a coolant volume lying radially on the outside relative to the stator tooth arrangement and a coolant volume located radially inward relative to the stator tooth arrangement can be designed to guide the coolant past the gaps between the stator teeth and the sections of the stator windings lying in the gaps.

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. According to one embodiment, a coolant channel may be arranged concentrically radially outward around the stator tooth arrangement and / or a coolant channel may be arranged running concentrically radially inwards on the stator tooth arrangement, through which coolant may be circulated in each case.

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. According to a further embodiment, connecting portions may be provided between the concentric radially outer coolant channel and the concentric radially inner coolant channel, wherein the connecting portions passed through the spaces between the stator teeth and / or between the return region and a stator winding and / or between two layers of stator windings are so that coolant from the concentric radially outwardly disposed coolant channel to the concentric radially inner coolant channel or vice versa is conductive.

Insbesondere können der oder die Kühlmittelkanäle durch Kühlmittelleitungen ausgebildet sein und an die nach radial außen oder innen weisenden Seiten der Statorwicklungen angelegt sein. In particular, the coolant channel or channels can be formed by coolant lines and be applied to the radially outwardly or inwardly facing sides of the stator windings.

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. A coolant channel, in particular in the form of a coolant line, can be looped through the spaces between the stator teeth and between the return area and a stator winding and / or between two layers of stator windings.

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. At least the interstices between the stator teeth can be potted with a potting compound, wherein bores and / or grooves for forming coolant channels are introduced into the potting compound to coolant between a relative to the stator tooth arrangement radially outer region and with respect to the Statorzahnanordnung radially inner region conduct.

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.

According to another aspect, there is provided an electric machine comprising:

A disk rotor having a circumferentially extending magnetically active device; and
- At least one of the above stator units, which is arranged axially offset from the disc rotor, wherein the radial widths of the magnetically active arrangement and the at least one stator tooth arrangement correspond.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1a, 1b und 1c Darstellungen verschiedener Ansichten einer mehrphasigen elektrischen Maschine mit einem Scheibenrotor; 1a . 1b and 1c Representations of different views of a multi-phase electric machine with a disc rotor;

2 eine perspektivische Darstellungen eines Ausschnitts aus einer Statoreinheit mit veränderter Startorzahnform; 2 a perspective views of a section of a stator unit with modified Startorzahnform;

3 eine perspektivische Darstellung einer Statoreinheit mit konzentrischen Kühlmittelkanälen, die durch Verbindungsabschnitte verbunden sind; 3 a perspective view of a stator with concentric coolant channels, which are connected by connecting portions;

4 eine perspektivische Darstellung einer Statoreinheit mit in Schlingen um die Statorzähne verlaufenden Kühlmittelkanal; 4 a perspective view of a stator with running in loops around the stator teeth coolant passage;

5 eine Draufsicht auf eine mit Vergussmaterial vergossene Statoreinheit mit einem eingebrachten Kühlmittelkanal. 5 a plan view of a cast with potting material stator with an introduced coolant channel.

Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments

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. The 1a . 1b and 1c show cross-sectional views of a three-phase electric machine 1 , which is formed in this exemplary embodiment as a pancake machine, with a disc rotor 2 (Pancake). 1a shows a radial plan view of a cross section in the circumferential direction U, 1b a cross-sectional view in the tangential direction and 1c a perspective view of a section of one of the stator units 3 ,

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. The electric machine 1 includes, for example, two stator units 3 between which the disc rotor 2 rotatably disposed about a rotation axis extending along an axial axis Direction A extends. The disc rotor 2 is formed of a magnetically and electrically non-conductive material, such as a carbon fiber composite material or the like, and includes an annular magnetically active device, for example in the form of embedded therein, annularly arranged, individual permanent magnets 4 , annularly arranged, individual soft magnetic elements or a circumferential electrically conductive ring.

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. The permanent magnets 4 are along an annular ring magnet arrangement in the disc rotor 2 provided, wherein the permanent magnets 4 are spaced apart in the magnetic ring in a circumferential direction U from each other.

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. The polarization of the permanent magnets 4 is aligned in the magnetic ring arrangement in the circumferential direction U, wherein the polarizations of each two adjacent in the circumferential direction U permanent magnet 4 are opposite to each other, so that each homopolar magnetic poles face each other. The mutually in the circumferential direction U facing magnetic poles of the permanent magnets 4 Form rotor poles with a resulting magnetic field, which extends from the area between each two magnetic poles of the permanent magnets 4 in the radial direction R and axial direction A from the disk rotor 2 extend.

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. It can also be provided two or more than two magnetic ring arrangements, wherein the magnetic ring arrangements can be preferably concentric. In this case, the radial width of each magnetic ring assembly is substantially identical, and preferably the number of permanent magnets 4 in each of the magnetic ring arrangements also the same.

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. The stator units 3 are arranged opposite each other, wherein the disc rotor 2 freely rotatable so between the stator units 3 is arranged that through the permanent magnets 4 the magnetic ring arrangement formed rotor poles between stator teeth 31 the stator units 3 run.

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. The stator teeth 31 are in each of the stator units 3 annular along a stator tooth arrangement 36 arranged so that the Statorzahnanordnungen 36 both stator units 3 opposite each other. The stator tooth arrangements 36 both stator units 3 preferably have the same radial width and face each other in the axial direction A.

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. The stator teeth 31 form together with a magnetic yoke area 35 a stator body of magnetically conductive material. The stator teeth 31 can be at the magnetic yoke area 35 attached or integral with this, z. B. by molding an SMC material may be formed. The stator teeth 31 are each in the axial direction A, ie in the direction of the axis of rotation of the disc rotor 2 projecting from the stator body, ie formed as projections.

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. The stator teeth 31 extend in the radial direction R possible over the entire radial width of the permanent magnets 4 in the disc rotor 2 , where the stator teeth 31 in the circumferential direction U through gaps 32 are spaced from each other to therein winding strands of the stator windings 34 each with one or more winding wires (depending on the number of turns) record. At every stator unit 3 There are a number of separate stator windings 34 , which is the number of phases of the electric machine 1 equivalent.

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. The stator windings associated with a phase 34 are with respect to the opposing stator units 3 each offset in the circumferential direction U to each other. In this way, the field lines in the air gap resulting from the superposition of the permanent magnets 4 in the disc rotor 2 and from the stator windings 34 in the stator units 3 produced magnetic fields and cause the formation of the engine torque, substantially obliquely to the axial direction A and in the circumferential direction U inclined to the axial direction A extend, that is substantially transversely to the magnetization direction of the permanent magnets 4 ,

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. As in particular in the 1c can be seen, the stator teeth 31 in the embodiment shown, a radial cross-section R in the longitudinal direction (with respect to the axial direction A), which can taper in the radial direction R inwardly. Radial inner and outer ends 37 . 38 the stator teeth 31 may be rounded so that the corresponding winding strand of the corresponding stator winding 34 can be adjusted when creating the curve of the rounding.

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. The gaps 32 between the stator teeth 31 serve to the stator teeth 31 magnetically separated from each other and the stator windings 34 take. The winding strands of the stator windings 34 The individual phases are in the form of loops 39 around the stator teeth 31 guided. The height of the stator teeth 31 in the axial direction A is chosen so that at least for each phase of the winding phase of the corresponding stator winding 34 can be inserted. As in 1c the example of the three-phase electric machine 1 is the height of the stator teeth 31 in the axial direction A sufficient to three layers of stator windings 34 to arrange one above the other.

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. The stator windings 34 can for a three-phase electric machine 1 be offset by an angle of 120 ° / electrical motor position (ie 120 ° / number of pole pairs mechanical). Through this design, the overall performance of the electric machine 1 significantly increased, as caused by each phase contribution of the stator magnetic field on the entire radial height of the permanent magnets 4 trained rotor poles acts. This increases the flux in each phase, resulting in a higher induced voltage. stator windings 34 for each phase surrounded by the same stator teeth 31 a stator tooth arrangement 36 , so that no induction-related asymmetry in the characteristics of the electric machine 1 can occur. In particular, the induced voltages, phase resistance and inductance are nearly identical for each phase.

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. To provide suitable cooling for the stator assembly 3 is provided, which in the stator assembly 3 provided structures of a coolant, such as water, oil or the like to flow around. For this purpose, the area of the stator teeth can be provided 31 to close tightly with respect to the environment, so that between a housing 50 and the stator unit 3 a radially outer coolant volume 51 and a radially inward coolant volume 52 is formed. This is evident in 1b shown, which is a sectional view in the radial direction R by the electric machine 1 shows.

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. To form the coolant volumes 51 . 52 shows the case 50 an annular first outer stator wall 53 and an annular inner second stator wall 54 on, extending in the axial direction A of one of the stator teeth 31 opposite side of the yoke 35 arranged back part 55 extend and thereby to the conclusion area 35 connect and between them the stator teeth 31 and the stator windings 34 take up. The annular stator walls 53 . 54 extend at least with the same axial length over the return region 35 out like the stator teeth 31 , To the through the stator teeth 31 To seal the formed area for receiving the coolant is the front side of the return area 35 protruding stator teeth 31 a seal 56 intended. The seal 56 seals the area of the coolant by dividing the areas between two adjacent stator teeth 31 at the front side (projecting) ends or between a stator tooth 31 and one of the stator walls 53 . 54 through a corresponding section of the gasket 56 be closed.

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. Both the first and the second stator wall 53 . 54 can with a first or with a second through hole 57 . 58 be provided to the supply and removal of coolant in and out of the range of stator teeth 31 to enable. In particular, coolant through the first passage opening 57 supplied and through the second passage opening 58 be dissipated. In the embodiment of the 1a to 1c the coolant directly comes into contact with the winding strand and the surfaces of the stator teeth 31 and can thereby ensure optimal heat dissipation. Such cooling allows, for example, an increase in the current density in the winding strands of the stator windings 34 , The seal 56 For example, with a potting compound 91 be executed.

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. In 2 is a further embodiment with reference to a section of another exemplary stator unit 3 with interlocking wedge-shaped stator teeth 31 shown. Concentric coolant channels 61 . 62 are radially outward and radially inward around the winding strands of the stator winding 34 guided or passed by these, with the corresponding coolant channel 61 . 62 as close as possible to the winding strands of the stator windings 34 should or should contact the sections. In alternative embodiments, only one of the two coolant channels 61 . 62 be provided. In such an embodiment, the insulation failure risk may be reduced over the embodiment described hereinbefore.

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. In the embodiment of the 3 becomes a preferably preformed cooling matrix 70 on the stator teeth 31 Put on before these with the stator windings 34 be wound. The cooling matrix 70 is due to the shape of the gaps 32 between the stator teeth 31 adapted and sees an outer annular coolant channel 71 and an inner annular coolant channel 72 ago, by connecting sections 73 connected to each other, so that coolant from the outer coolant channel 71 to the inner coolant channel 72 or vice versa can flow. The cooling channel matrix 70 is in particular with their connecting sections 73 shaped so that they rest on the stator teeth 31 can be put on. In this way, a subsequent winding with the stator windings 34 ensure that the cooling line matrix 70 between the inference area 35 and the first wound winding strand of the stator winding 34 lies.

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. In a further embodiment, the in 4 is shown, is a coolant line or a coolant channel 80 Looped around the stator teeth 31 arranged, in particular according to a winding pattern or a winding course, the winding course of one of the stator windings 34 equivalent. Also several such Coolant channels 80 can be between the inference area 35 and the first stator winding 34 or between two stator windings 34 be arranged. The coolant channels 71 . 72 . 73 . 80 the embodiments of the 3 and 4 may be formed either of a metallic material having good thermal conductivity, such as copper or the like, or another electrically non-conductive thermally conductive material, such as plastic.

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. As in 5 However, it can also be provided that the stator teeth 31 and the stator windings 34 with a potting compound 91 be potted and in the potting compound 91 by drilling and / or milling 92 Coolant channels 90 be introduced. This allows a reliable isolation of the coolant against the material of the stator teeth 31 and be guaranteed against the winding strands.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2009/115247 A1 [0002]
WO 2009/115247 [0005]

Claims

Stator unit ( 3 ) for a multi-phase electric machine ( 1 ), comprising: - an inference area ( 35 ) of magnetic material having one surface - a plurality of stator teeth projecting from the surface ( 31 ) in the circumferential direction (U) adjacent to each other in at least one circular Statorzahnanordnung ( 36 ) are arranged and between which in the circumferential direction (U) seen intermediate spaces ( 32 ) for receiving stator windings ( 34 ) are provided, whereby through the spaces ( 32 ) Stator windings ( 34 ) are guided for each phase, so that each of the stator windings ( 34 ) several times in the form of loops ( 39 ) between at least one radially outer end ( 38 ) at least one stator tooth ( 31 ) and at least one radially inner end ( 37 ) at least one further stator tooth ( 31 ) of the stator tooth arrangement ( 36 ) runs; and one of the stator windings ( 34 ) separately provided cooling means for conducting a coolant to heat from the stator windings ( 34 ) and the stator teeth ( 31 ).

Stator unit ( 3 ) according to claim 1, wherein a with respect to the Statorzahnanordnung ( 36 ) radially outer coolant volume ( 51 ) as well as with respect to the Statorzahnanordnung ( 36 ) radially inner coolant volume ( 52 ) are adapted to the coolant through the intermediate spaces ( 32 ) between the stator teeth ( 31 ) and in the interstices ( 32 ) lying portions of the stator windings ( 34 ) along.

Stator unit ( 3 ) according to claim 1 or 2, wherein a coolant channel ( 61 . 71 ) concentrically radially outward around the stator tooth arrangement ( 36 ) and / or a coolant channel ( 62 . 72 ) concentric radially inward on the stator tooth arrangement ( 36 ) are arranged to extend, is guided by the respective coolant, in particular circulating.

Stator unit ( 3 ) according to claim 1 or 2, wherein connecting sections ( 73 ) between the concentric radially outwardly disposed coolant channel ( 71 ) and the concentric radially inner coolant channel ( 72 ) are provided, wherein the connecting portions ( 73 ) through the gaps ( 32 ) between the stator teeth ( 31 ) and between the inference area ( 35 ) and a stator winding ( 34 ) and / or between two layers of stator windings ( 34 ) are guided, so that coolant from the concentric radially outwardly disposed coolant channel ( 71 ) to the concentric radially inner coolant channel ( 72 ) or vice versa is leitbar.

Stator unit ( 3 ) according to claim 3 or 4, wherein the coolant channel or channels ( 61 . 71 . 62 . 72 ) are formed by coolant lines, which at radially outwardly or inwardly facing sides of the stator windings ( 34 ) are created.

Stator unit ( 3 ) according to claim 1, wherein a coolant channel ( 80 ), in particular in the form of a coolant line, loop-shaped or loop-shaped through the intermediate spaces ( 32 ) between the stator teeth ( 31 ) and between the inference area ( 35 ) and a stator winding ( 34 ) and / or between two layers of stator windings ( 34 ) is guided.

Stator unit ( 3 ) according to claim 1 or 2, wherein at least the intermediate spaces ( 32 ) between the stator teeth ( 31 ) with a potting compound ( 91 ), wherein in the potting compound ( 91 ) Drilling and / or milling ( 92 ) for forming coolant channels ( 90 ) are introduced to coolant between a relative to the Statorzahnanordnung ( 36 ) radially outer region and one with respect to the Statorzahnanordnung ( 36 ) radially inward area.

Multi-phase electric machine ( 1 ), comprising: - a disk rotor ( 2 ) having a circumferentially extending magnetically active device; and at least one stator unit ( 3 ) according to one of claims 1 to 7, which is axially offset from the disc rotor ( 2 ), wherein the radial widths of the magnetically active arrangement and the at least one stator tooth arrangement correspond.