DE102017207672A1

DE102017207672A1 - Verfahren zur Herstellung einer Spule für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102017207672A1
Application number: DE102017207672.0A
Authority: DE
Inventors: Korbinian Weber; Peter Juris
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-05-08
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2018-11-08

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Spule (3) für eine elektrische Maschine (23), wobei ein Leiter der Spule (3) zumindest abschnittsweise aus einem elektrisch leitfähigen, bandförmigen Stromführelement (5, 26, 36) gebildet wird, wobei ein Kühlkanal (28, 38) der Spule (3) zumindest in einem Abschnitt des Kühlkanals (28, 38) dadurch hergestellt wird, dass wenigstens eine kanalförmige Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) mit einem Prägewerkzeug (15, 16), das einen entsprechend der zu erzeugenden Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) geformten Vorsprung (19) aufweist, in eine Seitenfläche (13, 14) des Stromführelements (5, 26, 36) geprägt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spule für eine elektrische Maschine, wobei ein Leiter der Spule zumindest abschnittsweise aus einem elektrisch leitfähigen, bandförmigen Stromführelement gebildet wird. Daneben betrifft die Erfindung eine Spule, eine elektrische Maschine und ein Kraftfahrzeug.
Elektrische Maschinen werden häufig in Bereichen eingesetzt, in denen die Anforderungen bezüglich der bereitgestellten Drehmomente bzw. Leistungsdichten hoch sind. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz als Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sollen möglichst hohe Stromdichten innerhalb von Ständer- bzw. Rotorwicklungen genutzt werden. Zugleich stellen jedoch Stromwärmeverluste einen Großteil der gesamten Verluste dar. Aufgrund der resultierenden Abwärme wird die Leistungsfähigkeit elektrischer Maschinen daher in vielen Anwendungsfällen durch die abtransportierbare Wärmemenge beschränkt.
Ein übliches Vorgehen zur Kühlung von Statorwicklungen ist die sogenannte Wassermantelkühlung, bei der ein Stator durch einen außenseitigen Wassermantel gekühlt wird. Für kompakte Antriebe, die hohe Drehmomente bereitstellen sollen, ist es zudem bekannt, den gesamten Stator samt Wicklungen in einem Gehäuse zu verbauen, welches von Flüssigkeit durchströmt wird. Ein derartiges Kühlkonzept ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 2007/032 740 A1 bekannt.
Aus der Druckschrift DE 10 2013 204 047 A1 ist es zudem bekannt, einen Kühlkanal direkt durch die Wicklungen der Spule zu führen. Hierzu werden gegossene Spulen genutzt, wobei die Gussform derart gewählt wird, dass zwischen zwei benachbarten Leitungsabschnitten jeweils ein leitungsaxialer Kühlkanal zum Führen eines Kühlmediums ausgebildet wird. Vorteilhaft wird hierbei ein hoher Füllfaktor mit der Möglichkeit kombiniert, die Spulenwicklungen direkt im Bereich der Wärmeentstehung zu kühlen. Nachteilig ist hingegen, dass eine Anfertigung von gegossenen Spulen insbesondere dann, wenn erste Muster, Prototypmaschinen oder Maschinen mit kleinen Auflagen hergestellt werden sollen, mit hohen Kosten und hohem Zeitaufwand verbunden ist. Zudem ist die Herstellung von filigranen Strukturen kaum möglich. Häufig sollen jedoch in Hochleistungsmaschinen relativ schmale und flache Leiter genutzt werden, die durch eine Gusstechnik kaum mit ausreichender Zuverlässigkeit hergestellt werden können. Erschwerend kommt hinzu, dass bei Gussprozessen Verunreinigungen oder Lufteinschlüsse im gegossenen Körper vorhanden sein können. Nach einem Gussprozess muss der Spulenkörper zudem durch relativ aufwendige Arbeitsprozesse von einem Angussstück getrennt und nachbearbeitet werden. Typischerweise muss im Rahmen dieser Nacharbeitung auch die gussbedingt relativ raue Oberfläche der Spulen nachbearbeitet werden und mit Isolationslack versehen werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine Herstellung von Spulen ermöglicht, bei denen der Leiter möglichst unmittelbar gekühlt werden kann, wobei die Herstellung der Spule mit geringem technischem Aufwand erfolgen soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei ein Kühlkanal der Spule zumindest in einem Abschnitt des Kühlkanals dadurch hergestellt wird, dass wenigstens eine kanalförmige Ausnehmung mit einem Prägewerkzeug, das einen entsprechend der zu erzeugenden Ausnehmung geformten Vorsprung aufweist, in eine Seitenfläche des Stromführelements geprägt wird.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, die Spule zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen, bandförmigen Stromführelement herzustellen, das durch einen Prägevorgang modifiziert wird, um einen Kühlkanal oder mehrere Kühlkanäle auszubilden. Das Stromführelement kann vorkonfektioniert sein. Beispielsweise kann ein gezogener Rechteckprofildraht als Stromführelement genutzt werden. Hierbei ist es möglich, unmittelbar den bereitgestellten Draht zu prägen. Es kann jedoch auch zunächst eine Vorverarbeitung erfolgen, wie dies später noch detailliert erläutert werden wird. Das erfindungsgemäße Verfahren geht somit vorzugsweise von bereits einfach und zuverlässig herstellbaren Komponenten aus und modifiziert diese durch einen relativ leicht zu implementierenden Prägeprozess. Es stellt somit eine Möglichkeit bereit, mit sehr geringem technischen Aufwand Kühlkanäle in eine Spule einzubringen.
Es ist möglich, dass das Stromführelement bereits vor dem Prägen mit einer isolierenden Schicht, insbesondere einem Isolierlack, versehen ist. Das Prägen kann hierbei derart erfolgen, dass die isolierende Schicht nicht oder nur in Bereichen, in denen voraussichtlich kein Kontakt mit weiteren Leitern gegeben ist, verletzt wird. Alternativ wäre es möglich, nach dem Prägen eine Isolationsschicht aufzubringen oder beispielsweise zwischen Spulenwindungen eingelegte Isolationselemente zu nutzen.
Nach dem Prägen des Stromführelements kann es beispielsweise verformt werden und/oder mit wenigstens einer weiteren Spulenkomponente verbunden werden, um die Spule auszubilden. Beispielsweise kann es zu einer Zahnspule gewickelt werden. Wurde, wie später noch detailliert erläutert werden wird, das Stromführelement bereits vor dem Prägen in eine spulenartige Form gebracht, so kann anschließend beispielsweise eine Verformung erfolgen, um die Höhe der Spule zu reduzieren, indem die Windungen zueinander hin gepresst werden oder Ähnliches. Es ist jedoch auch möglich, dass das Stromführelement an einem Spulenträger angeordnet wird, um die Spule auszubilden. Beispielsweise können stabförmige oder hairpin-förmige Stromführelemente axial in einen Spulenträger, beispielsweise einen Statorkörper, eingeschoben werden und anschließend miteinander oder über weitere Elemente gekoppelt werden, um die Spule auszubilden.
Die kanalförmige Ausnehmung wird vorzugsweise in jene Seitenfläche des Stromführelements eingeprägt, die die größte Fläche aufweist, also insbesondere auf der Ober- bzw. Unterseite des bandförmigen Stromführelements.
Vorzugsweise wird die Spule derart gebildet, dass mehrere Stromführelemente bzw. mehrere Abschnitte eines Stromführelements stapelartig bzw. in Form einer Helix übereinander liegen. In diesem Fall sind in der finalen Spule vorzugsweise jeweils Seitenflächen eines Paares von Stromführelementen bzw. von verschiedenen Abschnitten eines Stromführelements zueinander benachbart und es kann für zumindest einen Teil dieser Paare, vorzugsweise für alle Paare, in wenigstens eine der benachbarten Seitenflächen eine Ausnehmung eingeprägt werden. Die Seitenflächen können sich hierbei berühren oder voneinander beabstandet sein.
Die Ausnehmung kann Teil eines Zwischenraums zwischen der Seitenfläche und einem von einem Abschnitt des Stromführelements, der die Ausnehmung aufweist, unterschiedlichen Abdeckabschnitt des Stromführelements oder einem weiteren Stromführelement oder einem Spulenträger sein oder diesen Zwischenraum bilden. Insbesondere kann die Ausnehmung durch die genannten Komponenten zumindest teilweise abgedeckt werden. Das Abdecken kann derart erfolgen, dass die Ausnehmung im Wesentlichen fluiddicht abgedeckt ist, um eine Rohrleitung für ein Kühlfluid zu bilden. Alternativ kann die Abdeckung auch in Art einer Überdachung, also beabstandet von der Seitenfläche, erfolgen. Insbesondere verlaufen das weitere Stromführelement bzw. der Abdeckabschnitt bzw. entsprechende Bereich des Spulenträgers hierbei parallel zu der Seitenfläche.
Die Ausnehmung kann eingeprägt werden, indem die Seitenfläche und ein von einem Abschnitt des Stromführelements, in den die Ausnehmung eingeprägt wird, unterschiedlicher Abschnitt des Stromführelements oder ein weiteres Stromführelement an einander gegenüberliegenden Seiten des Prägewerkzeugs angeordnet werden, wonach der derart gebildete Stapel in Stapelrichtung gepresst wird.
Hierbei kann ein Stapel gepresst werden, der mehr als zwei übereinander liegende Stromführelemente oder mehr als zwei übereinander liegende Abschnitte des Stromführelements umfasst, wobei in dem Stapel zwischen mehreren, insbesondere zwischen allen, Paaren von benachbarten Stromführelementen oder Abschnitten des Stromführelements jeweils ein Abschnitt des Prägewerkzeugs oder ein jeweiliges Prägewerkzeug angeordnet wird. Hierdurch können durch einen einzigen Pressvorgang Ausnehmungen in mehrere Stromführelemente bzw. mehrere Abschnitte eines Stromführelements eingebracht werden. Dies kann einerseits zu einem effizienteren Herstellungsprozess führen. Andererseits ist das erläuterte Vorgehen besonders vorteilhaft, wenn in Paare von Abschnitten oder Stromführelementen aufeinander abgestimmte Ausnehmungen eingeprägt werden sollen, da entsprechende Ausnehmungen gemeinsam durch ein Prägewerkzeug eingeprägt werden können, das beispielsweise beidseitig Vorsprünge aufweist. Zudem kann beispielsweise eine beidseitige Prägung eines Stromführelements dadurch erfolgen, dass zwei Abschnitte eines gemeinsamen Prägewerkzeugs an den verschiedenen Seitenflächen des Stromführelements angreifen.
Das Stromführelement kann in eine vorläufige Spulenform mit mehreren in der oder einer Stapelrichtung übereinander liegenden Wicklungen geformt werden, wonach zwischen wenigstens zwei der Wicklungen das oder ein jeweiliges Prägewerkzeug eingeführt wird, wonach diese Anordnung in Stapelrichtung gepresst wird. Es sind eine Vielzahl von Herstellungsmethoden von Spulen bekannt, bei denen Spulen zunächst gewickelt werden und anschließend an einen Spulenhalter, beispielsweise einem Stator angeordnet werden. Dieses Vorgehen ist sowohl für Zahnspulen als auch für verteilte Wicklungen bekannt, wobei es zur Anordnung von verteilten Wicklungen, beispielsweise in einem Stator, vorteilhaft sein kann, zunächst Zähne ohne Zahnköpfe zu nutzen, wobei optional anschließend steckbare Zahnköpfe aufgebracht werden können oder Ähnliches. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann dieses an sich bekannte Vorgehen derart erweitert werden, dass nach dem Vorwickeln der Spule vor dem Einbringen der Spule in den Spulenträger die Ausnehmungen in das Stromführelement oder die Stromführelemente eingeprägt werden. Hierdurch kann das Hinzufügen von Kühlkanälen durch wenige zusätzliche Arbeitsschritte in bekannte Herstellungsverfahren für Spulen eingefügt werden. Möglichkeiten hierfür werden im Folgenden erläutert.
Zur Herstellung der vorläufigen Spulenform kann das Stromführelement auf ein Wickelwerkzeug gewickelt werden.
Vor dem Einbringen des Prägewerkzeugs zwischen die Wicklungen kann die vorläufige Spulenform in Stapelrichtung gestreckt werden, um die Wicklungen des Stromführelements voneinander zu beabstanden. Hierbei kann die vorläufige Spulenform vor oder nach dem Strecken von dem Wickelwerkzeug abgezogen werden, es ist jedoch auch möglich, ein anschließendes Pressen mithilfe des oder der Presswerkzeuge auf dem Wickelwerkzeug durchzuführen. Beispielsweise kann eine Auflagefläche des Wickelwerkzeugs gleichzeitig als Pressfläche bei dem Pressvorgang dienen.
Alternativ zum Strecken der gesamten Spule wäre es auch möglich, nur bestimme Abschnitte der Wicklungen zu verformen, um beispielsweise nur an einer Seite der Spule einen oder mehrere Zwischenräume für ein Einführen des Presswerkzeugs oder der Presswerkzeuge bereitzustellen.
Die Ausnehmung kann derart in die Seitenfläche geprägt werden, dass zumindest ein Abschnitt der Ausnehmung gekrümmt ist und/oder dass ein Querschnitt der Ausnehmung in wenigstens einem Abschnitt der Ausnehmung variiert. Durch das beschriebene Vorgehen können die Turbulenzen eines durch die Ausnehmung strömenden Kühlfluids erhöht werden, wodurch eine bessere Wärmeübertragung zwischen dem Kühlfluid und dem Stromführelement erreicht werden kann. Zudem kann eine entsprechende Führung der Ausnehmung dazu dienen, die elektromagnetischen Eigenschaften der Spule zu verbessern, da beispielsweise die Form, Breite und Höhe des Leiters in Bereichen, welche von bestimmten Verlustmechanismen dominiert werden, entsprechend angepasst und Verluste minimiert werden können.
Beispielsweise ist es möglich, dass die kanalförmige Ausnehmung sich in zumindest einem Abschnitt des Stromführelements parallel zu dem Stromführelement erstreckt, wobei jedoch ein seitlicher Kühlfluidein- oder auslauf vorgesehen ist. Alternativ oder ergänzend kann die kanalförmige Ausnehmung beispielsweise mäandern.
Ergänzend oder alternativ ist es möglich, dass die Prägung derart erfolgt, dass die Ausnehmung Säulenbereiche allseitig umschließt, die nicht Teil der Ausnehmung sind, oder dass in Verwirbelungsbereichen die Tiefe der Ausnehmung größer oder kleiner als in den umgebenden Bereichen der Ausnehmung ist. Auch diese Modifikationen einer einfachen Kanalstruktur können die Turbulenzen eines durch die Ausnehmung strömenden Kühlfluids erhöhen. Zudem könnte durch die entsprechenden Elemente die elektromagnetischen Eigenschaften der Spule verbessert werden und beispielsweise die Stromleitung optimiert werden und/oder ein Feldführungsverhalten angepasst werden. Die Vorsprünge bzw. Ausnehmungen, also die tieferen oder weniger tiefen Bereiche und/oder die Säulenbereiche können rund oder elliptisch sein. Die Vorsprünge bzw. Ausnehmungen können einen flachen Bereich bzw. ein Plato aufweisen, in dem die Prägetiefe konstant ist. Eine Tiefenänderung kann sich auf einen Wandbereich der Vorsprünge bzw. Ausnehmungen beschränken, der beispielsweise 1 bis 10 % oder bis zu 20 % der Fläche der entsprechenden Bereiche einnimmt.
Die kanalförmige Ausnehmung kann derart eingeprägt werden, dass sie sich einseitig oder beidseitig bis zu einem Rand der Seitenfläche erstreckt. Hierdurch kann ein die Spule umgebendes Fluid besonders gut in die Ausnehmung eintreten bzw. austreten. Der Querschnitt der Ausnehmung kann sich an wenigstens einem Ende der Ausnehmung zum Rand der Seitenflächen hin vergrößern. Hierdurch kann ein Strömungswiderstand für ein ein- oder ausströmendes Kühlfluid reduziert werden.
Die Spule kann eine Zahnspulenwicklung, eine Formspule oder eine Hairpin-Wicklung sein, oder sie kann durch Einfügen mehrerer, insbesondere stabförmiger Stromführelemente in einen Spulenträger und elektrisch leitende Verbindungen der Stromführelemente hergestellt werden. Entsprechende stabförmige Stromführelemente werden auch I-Pin genannt. Ein Einfügen von Stromführelementen in einen Spulenträger kann auch zweckmäßig sein, um offene Hairpin-Spangen axial in Nuten eines Spulenträgers, beispielsweise des Stator- oder Rotorkörpers, einzuschieben und anschließend die offenen Enden mehrerer Spangen zu verbinden. Alternativ ist es auch möglich, Hairpin-Wicklungen radial in die Nuten eines Spulenträgers einzulegen. In diesem Fall weisen die Zähne des Spulenträgers vorzugsweise zunächst keine Zahnköpfe auf. Zahnköpfe können anschließend beispielsweise aufgesteckt werden oder sie können als Teil eines Gehäuses ausgebildet werden, das die Nuten abdichtet, um eine Durchflutung mit Kühlmittel zu ermöglichen. Entsprechende Ansätze sind aus dem Stand der Technik bekannt und sollen daher nicht detailliert erläutert werden.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung eine Spule für eine elektrische Maschine, deren Leiter zumindest abschnittsweise aus einem elektrisch leitfähigen, bandförmigen Stromführelement gebildet ist, wobei in wenigstens eine Seitenfläche des Stromführelements wenigstens eine kanalförmige Ausnehmung eingeprägt ist, die wenigstens einen Kühlkanal oder einen Abschnitt des Kühlkanals der Spule bildet. Die erfindungsgemäße Spule kann mit den verschiedenen die hergestellte Spule betreffenden Merkmalen, die zum erfindungsgemäßen Verfahren erläutert wurden, weitergebildet werden. Die Spule kann insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt sein.
Ein Prägen von Ausnehmungen in eine Seitenfläche eines Stromführelements, insbesondere ein Kaltprägen, führt gegenüber einem aus dem Stand der Technik bekannten Gießen von beliebigen Formen eines Stromführelements zu einer unterschiedlichen Materialstruktur des Stromführelements. Beispielsweise resultieren bestimmte Materialverspannungen und Gitterfehler, die bei einer Begutachtung des Gegenstands leicht zu erkennen sind.
Bei der erfindungsgemäßen Spule kann es sich beispielsweise um eine Spule eines Stators oder eines Rotors handeln. Ein Spulenträger, der die Spule aufnimmt, beispielsweise ein Stator- oder Rotorkörper, kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das für sich genommen oder gemeinsam mit dem Spulenträger ein abgeschlossenes oder abgesehen von Fluidzuführungen und -abführungen abgeschlossenes Kühlfluidvolumen ausbilden. Hierdurch wird es beispielsweise ermöglicht, in einer elektrischen Maschine ausschließlich ein Fluidvolumen im Stator mit Kühlflüssigkeit zu durchfluten, während der Rotor weiterhin in einer Gasatmosphäre rotiert.
Zudem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, die eine erfindungsgemäße Spule umfasst.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Diese kann insbesondere eine Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen schematisch:

1 eine Detailansicht eines Stators, der ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spule umfasst,
2 - 6 ausgewählte Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, durch das ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spule hergestellt wird,
7 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, das ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine umfasst, und
8 - 12 Detailansichten einzelner Stromführelemente verschiedener Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Spule.

1 zeigt eine Detailansicht eines Stators 1 einer elektrischen Maschine. Der Stator umfasst einen Spulenträger 2, beispielsweise einen Statorkörper, der aus einem Blechpaket gebildet sein kann. Auf diesen sind eine Vielzahl von Spulen 3 aufgebracht, die jeweils auf einen Zahn 4 aufgesteckt sind. Es handelt sich somit um Zahnspulen. Die einzelnen Spulen 3 sind jeweils aus einem durchgehenden, elektrisch leitfähigen, bandförmigen Stromführelements gewickelt.
Der Spulenträge 2 ist gemeinsam mit den Spulen 3 in ein Gehäuse 6 integriert, wodurch ein von Kühlfluid durchströmbares Fluidvolumen 7 gebildet wird. Hierbei können nicht gezeigte Fluidein- und auslässe vorgesehen sein, um das Fluidvolumen 7 mit einem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine bzw. eines Kraftfahrzeugs zu koppeln.
Um eine hohe Effizienz der elektrischen Maschine zu erreichen, soll einerseits ein hoher Füllfaktor erreicht werden, das heißt es sollen die Bereiche zwischen den Zähnen 4 möglichst vollständig durch die Wicklungen der Spulen 3 aufgefüllt werden. Zugleich ist es jedoch wesentlich, eine effiziente Kühlung der Spulen 3 zu erreichen, da die elektrische Abwärme der Spulen bei Hochleistungsmaschinen häufig ein wesentlicher Faktor ist, der die mittel- und langfristige Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine begrenzt. Um dies zu erreichen sind in den einzelnen Wicklungen, also in Leiterabschnitten des Stromführelements 5, kanalförmige Ausnehmungen 8 eingeprägt, die Kühlmittelkanäle der Spulen 3 bilden. Durch ein Prägen von bandförmigen Stromführelementen wird, wie im Folgenden noch detailliert erläutert werden wird, eine einfache Möglichkeit bereitgestellt, entsprechende Kühlmittelkanäle auszubilden.
Die 2 - 6 zeigen ausgewählte Schritte zur Herstellung der in 1 gezeigten Spulen 3. Hierbei wird zunächst ein Stromführelement 5, beispielsweise ein gezogener Rechteckprofildraht, wie in 2 gezeigt ist, auf ein Wickelwerkzeug 9 gewickelt, um eine vorläufige Spulenform 10 herzustellen. Im Weiteren wird das Vorgehen am Beispiel einer Zahnspule erläutert. Prinzipiell könnten jedoch auch beispielsweise Hairpin-Spulen vorgewickelt werden. Die Nutzung von Wickelwerkzeugen zum Wickeln von Zahnspulen oder anderen Spulen ist im Stand der Technik bekannt und soll hier nicht detailliert erläutert werden. Die resultierende vorläufige Spulenform 10 ist in 3 perspektivisch ohne das Wickelwerkzeug 9 dargestellt. Die Spule kann nach dem Wickeln von dem Wickelwerkzeug 9 abgezogen werden, in der folgenden Darstellung wird das Wickelwerkzeug 9 jedoch zusätzlich zur Stabilisierung der Spulenform in den weiteren Verarbeitungsschritten genutzt.
Die vorläufige Spulenform 10 weist mehrere in einer Stapelrichtung 41 übereinander liegende Wicklungen 11, 12 auf. Um ein Prägen der Seitenflächen des Stromführelements 5 für die einzelnen Wicklungen 11, 12 zu ermöglichen, wird die vorläufige Spulenform 10 vor dem Einbringen von Prägewerkzeugen 15, 16 in die Stapelrichtung 41 gestreckt, um die Wicklungen 11, 12 des Stromführelements 5 voneinander zu beabstanden. Der resultierende Zustand ist in 4 dargestellt. Wie dort zu erkennen ist, sind die einzelnen Wicklungen 11, 12 nun voneinander beabstandet, so dass seitlich die Prägewerkzeuge 15, 16 zwischen den Wicklungen eingeführt werden können. Die Prägewerkzeuge 15, 16 weisen jeweils einen Vorsprung 19 auf, der die Form der zu erzeugenden Ausnehmung aufweist.
Um nun die Ausnehmungen in die Seitenflächen 13, 14 der einzelnen Abschnitte des Stromführelements 5 einzubringen, wird eine schematisch dargestellte Presse 17, wie durch die Pfeile 18 dargestellt ist, in Richtung der Basis des Wickelwerkzeugs 9 gepresst. Hierdurch wird der Stapel 40 aus den Abschnitten des Stromführelements 5 und den Prägewerkzeugen 15, 16 in Stapelrichtung 41 gepresst. Statt dem Wickelwerkzeug 9 könnte auch ein separat hiervon ausgebildetes Führungswerkzeug genutzt werden. Um dies zu ermöglichen, könnte die vorläufige Spulenform 10 von dem Wickelwerkzeug 9 abgezogen und auf eine entsprechende Führung aufgebracht werden.
Durch das Pressen werden die Vorsprünge 19 in die jeweiligen Seitenflächen 13, 14 eingepresst. Das Resultat ist in 5 dargestellt. Durch das Pressen wurden die Vorsprünge 19 in die jeweiligen Seitenflächen 13, 14 gepresst, wodurch in diesen Seitenflächen 13, 14 Ausnehmungen 20, 21 erzeugt wurden. Die Vorsprünge 19 erstrecken sich senkrecht zur Bildebene im Wesentlichen linear, womit eine durchgehende kanalförmige Ausnehmung in die einzelnen Abschnitte des Stromführelements 5 eingeprägt wird.
Um die Prägewerkzeuge 15, 16 zu entfernen, kann die Wicklung anschließend wieder in die Stapelrichtung 41 gestreckt werden, die Prägewerkzeuge 15, 16 können seitlich herausgezogen werden und die Spule kann anschließend optional in die Stapelrichtung 41 komprimiert werden, wodurch der Abstand zwischen den einzelnen Wicklungen 11, 12 reduziert werden kann. Die resultierende Spule 3 ist in 6 dargestellt und kann beispielsweise unmittelbar auf den Zahn 4 in 1 aufgesteckt werden.
7 zeigt ein Kraftfahrzeug 22, das eine elektrische Maschine 23 umfasst, die den in 1 gezeigten Stator umfasst. In dem Stator ist ein Rotor 24 drehbar gelagert. Über eine Kühleinrichtung 25 ist kühles Kühlfluid in das Fluidvolumen 7 einführbar und warmes Kühlfluid kann aus diesem abgeführt werden. Durch die beschriebene Gestaltung der Spulen 3 können diese sehr gut gekühlt werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine 23 deutlich erhöht werden kann.
Im Folgenden werden verschiedene Ansätze erläutert, durch die die Strömungsgeometrie der Kühlkanäle optimiert werden kann. Hierbei wird ausgenutzt, dass der vorangehend beschriebene Prägevorgang auch relativ filigrane Strukturen mit einer hohen Zuverlässigkeit herstellen kann. Dies ermöglicht es, die Geometrie der Kühlkanäle mit hoher Genauigkeit festzulegen, was es, wie im Folgenden detailliert erläutert, ermöglicht, gezielt den Strömungswiderstand in den Kühlkanälen zu reduzieren und/oder das durch die Kühlkanäle strömende Kühlfluid zu verwirbeln, um einen besseren Wärmeaustausch zwischen Kühlfluid und Stromführelement zu ermöglichen.
8 zeigt ein Stromführelement 26, das eine Ausnehmung 27 eingeprägt ist, die einen Kühlkanal 28 ausbildet. Das gezeigte Stromführelement kann beispielsweise eine Zahnspule ausbilden, wobei der im Bild gezeigte obere Bereich innerhalb einer Nut verlaufen kann und der untere Bereich den Abschnitt bilden kann, der sich zur nächsten Nut erstreckt. Die Ausnehmung 27 erstreckt sich bis zum Rand der Seitenfläche und weitet sich im Bereich 29 des Randes der Seitenfläche. Hierdurch kann ein Strömungswiderstand für ein ein- bzw. ausströmendes Kühlfluid reduziert werden.
In dem Kühlkanal 28 sind zudem mehrere Säulenbereiche 30 vorgesehen, die nicht eingeprägt sind, also im Wesentlichen auf der Höhe der Seitenfläche außerhalb der Ausnehmung 27 liegen. Diese werden allseitig von der Ausnehmung 27 umgeben. Da ein Kühlfluid an diesen Säulen vorbeiströmen muss, wird es hierbei potentiell verwirbelt.
Die 9 - 11 zeigen verschiedene Verwirbelungsbereiche 31, 34, 35, die statt der Säulenbereiche genutzt werden können. Die Verwirbelungsbereiche liegen innerhalb der Ausnehmung, das heißt, auch in diesen Bereichen erfolgte eine Prägung. Hierbei ist die Tiefe der Ausnehmung für die Verwirbelungsbereiche 31, 34 jedoch geringer als in den umgebenden Bereichen der Ausnehmung 27 und im Falle des Verwirbelungsbereichs 35 größer als in den umgebenden Bereichen. Um eine optimale Verwirbelung zu erreichen weisen die Verwirbelungsbereiche 31, 34, 35 relativ steile Wände 33 auf. Außerhalb des Bereichs der Wände 33 kann ein Plateaubereich 32 ausgebildet sein, in dem die Tiefe der Ausnehmung im Wesentlichen konstant ist.
12 zeigt einen weiteren Ansatz, um ein in den Kühlkanal 38 einströmendes Fluid zu verwirbeln. Der Kühlkanal 38 ist wiederum durch eine Ausnehmung 37 des Stromführelements 36 gebildet. Ein Einströmbereich 39 des Kühlkanals 38 ist hierbei gekrümmt. Alternativ oder ergänzend wäre es beispielsweise möglich, den Kühlkanal 38 mäandernd durch das Stromführelement 36 zu führen. Ein gekrümmter Einlass kann insbesondere bei einem Stromführelement 36 genutzt werden, das sich vollständig oder zumindest über relativ lange Strecken geradlinig erstreckt. Beispielsweise kann an einem freien Ende einer Hairpin-Wicklung oder eines stabförmigen Stromführelements, also beispielsweise eines I-Pins, ein seitlicher Kühlmittelfluidzufluss vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2007/032740 A1 [0003]
DE 102013204047 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Spule (3) für eine elektrische Maschine (23), wobei ein Leiter der Spule (3) zumindest abschnittsweise aus einem elektrisch leitfähigen, bandförmigen Stromführelement (5, 26, 36) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (28, 38) der Spule (3) zumindest in einem Abschnitt des Kühlkanals (28, 38) dadurch hergestellt wird, dass wenigstens eine kanalförmige Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) mit einem Prägewerkzeug (15, 16), das einen entsprechend der zu erzeugenden Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) geformten Vorsprung (19) aufweist, in eine Seitenfläche (13, 14) des Stromführelements (5, 26, 36) geprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) eingeprägt wird, indem die Seitenfläche (13, 14) und ein von einem Abschnitt des Stromführelements (5, 26, 36), in den die Ausnehmung (13, 14) eingeprägt wird, unterschiedlicher Abschnitt des Stromführelements (5, 26, 36) oder ein weiteres Stromführelement an einander gegenüberliegenden Seiten des Prägewerkzeugs (15, 16) angeordnet werden, wonach der derart gebildete Stapel (40) in Stapelrichtung (41) gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stapel (40) gepresst wird, der mehr als zwei übereinanderliegende Stromführelemente (5, 26, 36) oder mehr als zwei übereinanderliegende Abschnitte des Stromführelements (5, 26, 36) umfasst, wobei in dem Stapel (40) zwischen mehreren, insbesondere zwischen allen, Paaren von benachbarten Stromführelementen (5, 26, 36) oder Abschnitten des Stromführelements (5, 26, 36) jeweils ein Abschnitt des Prägewerkzeugs (15, 16) oder ein jeweiliges Prägewerkzeug (15, 16) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromführelement (5, 26, 36) in eine vorläufige Spulenform (10) mit mehreren in der oder einer Stapelrichtung (41) übereinanderliegenden Wicklungen (11, 12) geformt wird, wonach zwischen wenigstens zwei der Wicklungen (11, 12) das oder ein jeweiliges Prägewerkzeug (15, 16) eingeführt wird, wonach diese Anordnung in Stapelrichtung (41) gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der vorläufigen Spulenform (10) das Stromführelement (5, 26, 36) auf ein Wickelwerkzeug (9) gewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorläufige Spulenform (10) vor dem Einbringen des Prägewerkzeugs (15, 16) zwischen die Wicklungen (11, 12) in die Stapelrichtung (41) gestreckt wird, um die Wicklungen (11, 12) des Stromführelements (5, 26, 26) voneinander zu beabstanden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) derart in die Seitenfläche (13, 14) geprägt wird, dass zumindest ein Abschnitt der Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) gekrümmt ist und/oder dass ein Querschnitt der Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) in wenigstens einem Abschnitt der Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) variiert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägung derart erfolgt, dass die Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) Säulenbereiche (30) allseitig umschließt, die nicht Teil der Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) sind, oder dass in Verwirbelungsbereichen (31, 34, 35) die Tiefe der Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) größer oder kleiner als in den umgebenden Bereichen der Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmige Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) derart eingeprägt wird, dass sie sich einseitig oder beidseitig bis zu einem Rand der Seitenfläche (13, 14) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) an wenigstens einem Ende der Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) zum Rand der Seitenfläche (13, 14) hin vergrößert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (3) eine Zahnspulenwicklung, eine Formspule oder eine Hairpin-Wicklung ist, oder dass sie durch einfügen mehrerer, insbesondere stabförmiger, Stromführelemente (5, 26, 36) in einen Spulenträger (4) und elektrisch leitende Verbindung der Stromführelemente (8, 20, 21, 27, 37) hergestellt wird.
Spule für eine elektrische Maschine (23), deren Leiter zumindest abschnittsweise aus einem elektrisch leitfähigen, bandförmigen Stromführelement (5, 26, 36) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens eine Seitenfläche (13, 14) des Stromführelements (5, 26, 36) wenigstens eine kanalförmigen Ausnehmung (8, 20, 21, 27, 37) eingeprägt ist, die wenigstens einen Kühlkanal (28, 38) oder einen Abschnitt des Kühlkanals (28, 38) der Spule (3) bildet.
Elektrische Maschine, insbesondere elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug (22), dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Spule (3) nach Anspruch 12 umfasst.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine elektrische Maschine (23) nach Anspruch 13 umfasst.