DE102017221803A1

DE102017221803A1 - Elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102017221803A1
Application number: DE102017221803.7A
Authority: DE
Inventors: John Cunningham; Philip Grabherr; Webb Ian; Tim Male; Stojan MARKIC; Graham Sentence; Peter Sever; Josef Sonntag; Jon Witcombe
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-06-06
Also published as: US11984781B2; CN111434009B; CN111434009A; WO2019110278A1; DE112018006183A5; US20200295617A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Rotor (3), der um eine Rotationsachse (D) drehbar ist, und mit einem Stator (2), der Statorwicklungen (6) aufweist. Die elektrische Maschine weist einen Kühlmittelverteilerraum (4) und einen Kühlmittelsammlerraum (5) auf, wobei der Kühlmittelverteilerraum (4) zum Kühlen der Statorwicklungen (6) mittels eines Kühlkanals (10) fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum (5) kommuniziert. Der Stator (2) besitzt Statorzähne (8), welche die Statorwicklungen (6) tragen und welche von einem Statorkörper (7) des Stators (2) radial nach innen abstehen. Zwischen zwei Statorzähnen ist (8) eine Statornut (9) gebildet. Die Statornut (9) weist eine radial äußere Nut-Zone (52a) auf, die radial nach innen, vom Statorkörper (7) weg in eine radial innere Nut-Zone (52b) übergeht, deren radial innere Zonenbreite (b_i) kleiner ist als radial äußere Zonenbreite (b_a) der radial äußeren Nut-Zone (52a). Zumindest eine Statorwicklung (6) ist zur thermischen Kopplung in einen elektrisch isolierenden Kunststoff (11) eingebettet ist, der in der Statornut (9) angeordnet ist. Der wenigstens eine Kühlkanal (10) erstreckt sich zumindest abschnittsweise in der Statornut (9) und ist dort von dem elektrisch isolierenden Kunststoff (11) begrenzt. Der wenigstens eine Kühlkanal (10) ist innerhalb der Statornut (9) an einem Übergang (52c) von der radial äußeren zur radial inneren Nut-Zone (52a, 52b) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Maschine.
Bei einer derartigen elektrischen Maschine kann es sich allgemein um einen Elektromotor oder um einen Generator handeln. Die elektrische Maschine kann als Außenläufer oder als Innenläufer ausgebildet sein.
Eine gattungsgemäße Maschine ist beispielsweise aus der US 5,214,325 bekannt. Sie umfasst ein Gehäuse, das einen Innenraum umgibt und das einen in einer Umfangsrichtung des Gehäuses umlaufenden, den Innenraum radial begrenzenden Mantel, axial einerseits eine den Innenraum axial begrenzende Rückseitenwand und axial andererseits eine den Innenraum axial begrenzende Vorderseitenwand aufweist. Fest mit dem Mantel ist ein Stator der Maschine verbunden. Im Stator ist ein Rotor der Maschine angeordnet, wobei eine Rotorwelle des Rotors über ein vorderes Wellenlager an der Vorderseitenwand drehbar gelagert ist.
Typischerweise umfasst der Stator einer herkömmlichen elektrischen Maschine Statorwicklungen, die im Betrieb der Maschine elektrisch bestromt werden. Dabei entsteht Wärme, die zur Vermeidung einer Überhitzung und einer damit verbundenen Beschädigung oder gar Zerstörung des Stators abgeführt werden muss. Hierzu ist es aus herkömmlichen elektrischen Maschinen bekannt, diese mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Stators - insbesondere besagter Statorwicklungen - auszustatten. Eine solche Kühleinrichtung umfasst einen oder mehrere Kühlkanäle, die von einem Kühlmittel durchströmt werden und in der Nähe der Statorwicklungen im Stator angeordnet sind. Durch Wärmeübertragung von den Statorwicklungen auf das Kühlmittel kann Wärme vom Stator abgeführt werden.
Als nachteilig erweist sich dabei, dass ein effizienter Wärmeübergang vom Stator auf das durch den jeweiligen Kühlkanal strömende Kühlmittel mit erheblichem konstruktiven Aufwand verbunden ist. Dies wirkt sich jedoch nachteilig auf die Herstellungskosten der elektrischen Maschine aus.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine zu schaffen, bei welcher dieser Nachteil weitgehend oder gar vollständig beseitigt ist. Insbesondere soll eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine geschaffen werden, welche sich durch eine verbesserte Kühlung der Statorwicklungen des Stators bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, die Statorwicklungen einer elektrischen Maschine zum Kühlen der Statorwicklungen in einen elektrisch isolierenden Kunststoff einzubetten, der gleichzeitig auch einen Kühlkanal zum durch strömen mit einem Kühlmittel begrenzt. Somit kann der Kunststoff als wärmeübertragendes Medium zur Übertragung von Wärme von den Statorwicklungen auf das durch einen Kühlkanal strömende Kühlmittel einerseits und als elektrischer Isolator für die Statorwicklungen andererseits wirken. Auf diese Weise wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Statorwicklungen und dem durch den Kühlkanal geführten Kühlmittel hergestellt.
Die direkte thermische Ankopplung des Kühlkanals mit dem Kühlmittel an die zu kühlenden Statorwicklungen mithilfe der erfindungswesentlichen Einbettung der Statorwicklung(en) in einen elektrisch isolierenden Kunststoff führt zu einer besonders effektiven Kühlung der Statorwicklungen. Somit kann auch in einem Hochlastbetrieb der elektrischen Maschine sichergestellt werden, dass die anfallende Abwärme vom Stator abgeführt werden kann. Eine Beschädigung oder gar Zerstörung der elektrischen Maschine durch Überhitzung des Stators kann somit vermieden werden. Durch Verwendung eines elektrisch isolierenden Kunststoffs wird außerdem gewährleistet, dass die zu kühlenden Statorwicklungen durch den Kunststoff nicht auf unerwünschte Weise elektrisch kurzgeschlossen werden.
Erfindungsgemäß ist der Kühlkanal dabei zumindest abschnittsweise in einer Stratonut zwischen zwei benachbarten Statorzähnen des Stators angeordnet. Die Statornut geht dabei von einer radial äußere Nut-Zone radial nach innen in eine radial innere Nut-Zone über, deren entlang der Umfangsrichtung gemessene radial innere Zonenbreite kleiner ist als die entlang der Umfangsrichtung gemessene radial äußere Zonenbreite der radial äußeren Nut-Zone. Der Kühlkanal ist in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung im Bereich eines Übergangs von der radial äußeren zur radial inneren Nut-Zone angeordnet und wird dort von dem elektrisch isolierenden Kunststoff begrenzt. Die Anordnung des Kühlkanals im Bereich besagten Übergangs erweist sich als besonders vorteilhaft, da unmittelbar in diesem Bereich typischerweise keine Statorwicklungen angeordnet sind. Somit kann dieser Bereich des Stators bauraumsparend zur Bereitstellung eines Kühlkanals genutzt werden kann. Da aber in der Nähe des Übergangs oftmals Wicklungsabschnitte der Statorwicklungen vorgesehen sind, die besonders viel Abwärme erzeugen, lässt sich durch eine Anordnung des Kühlkanals in diesem Bereich auch besonders viel Abwärme über das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel aus der elektrischen Maschine abführen. Im Ergebnis wird somit eine elektrische Maschine geschaffen, in welche ein wenig Bauraum benötigender und dennoch effektiver Kühlungsmechanismus zum Abführen von Abwärme aus dem Stator implementiert ist.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug umfasst einen Rotor, der um eine Rotationsachse drehbar ist, durch welche eine axiale Richtung der elektrischen Maschine definiert ist. Die Maschine umfasst ferner einem Stator, der Statorwicklungen aufweist. Die Maschine umfasst ferner einen Kühlmittelverteilerraum und einem axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum. Dabei kommuniziert der Kühlmittelverteilerraum zum Kühlen der Statorwicklungen mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanals fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum. Der Stator besitzt sich entlang der axialen Richtung erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne, welche die Statorwicklungen tragen und welche von einem Statorkörper des Stators radial nach innen abstehen. Zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen ist jeweils eine Statornut gebildet, welche eine radial äußere Nut-Zone aufweist, die radial nach innen, also vom Statorkörper weg, in eine radial innere Nut-Zone übergeht. Der Übergang kann in der Art einer Stufe ausgebildet sein. Eine entlang der Umfangsrichtung gemessene radial innere Zonenbreite der radial inneren Nut-Zone ist dabei kleiner als eine entlang der Umfangsrichtung gemessene radial äußere Zonenbreite der radial äußeren Nut-Zone. Zumindest eine Statorwicklung ist zur thermischen Kopplung in einen elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet, der in einer der Statornuten angeordnet ist. Erfindungsgemäß erstreckt sich der wenigstens eine Kühlkanal zumindest abschnittsweise in der Statornut, dort von dem elektrisch isolierenden Kunststoff begrenzt ist und innerhalb der Statornut in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung an einem Übergang von der radial äußeren zur radial inneren Nut-Zone angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkanal innerhalb der Statornut vollständig in der radial inneren Nut-Zone angeordnet. Auf diese Weise können auch Teile des Rotors, insbesondere die an diesem vorgesehenen Magnetelemente - typischerweise handelt es sich bei diesen um Permanentmagnete - mit gekühlt werden. Alternativ dazu kann der Kühlkanal innerhalb der Statornut teilweise in der radial inneren Nut-Zone und teilweise in der radial äußeren Nut-Zone angeordnet sein. In diesem Fall werden auch radial weiter außen gelegene Wicklungsabschnitte der Statorwicklungen wirksam gekühlt.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkanal innerhalb der Statornut ausschließlich in der radial äußeren Nut-Zone angeordnet. Auf diese Weise können die Wicklungsabschnitte der Statorwicklungen nahe am Statorkörper wirksam gekühlt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Kühlkanal innerhalb der Statornut in einem dem Übergang zugewandten Endabschnitt der radial äußeren Nut-Zone angeordnet. Auf diese Weise können die Wicklungsabschnitte der Statorwicklungen radial innen und radial außen in der Statornut angeordnet sind, gleichermaßen wirksam gekühlt werden.
Zweckmäßig weisen die beiden Statorzähne radial innen jeweils einen in Umfangsrichtung abstehenden und die radial innere Nut-Zone begrenzenden Fortsatz auf. Dabei ist der Kühlkanal zumindest teilweise zwischen diesen beiden Fortsätzen in der radial inneren Nut-Zone angeordnet. Bei dieser Variante ist der Kühlkanal im Bereich der Nutöffnung der jeweiligen, radial innen offen ausgebildeten Statornut angeordnet. Somit steht die eigentliche Statornut vollständig zur Aufnahme von Statorwicklungen zur Verfügung.
Besonders zweckmäßig weist der Kühlkanal in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten auf. Denkbar ist auch die Geometrie eines Trapezes. Diese Maßnahme erlaubt es, den Kühlkanal mit einem großen Strömungsquerschnitt zu realisieren. Insbesondere kann dem Kühlkanal die vorteilhafte Geometrie eines Flachrohrs verliehen werden, welche wiederum eine bauraumsparende Anordnung des Kühlkanals in unmittelbarer Nähe der zu kühlenden Statorwicklung(en) erlaubt. Denkbar ist auch die Geometrie eines Trapezes.
Bevorzugt ist der elektrisch isolierende Kunststoff zumindest durch eine erste Kunststoffmasse aus einem ersten Kunststoffmaterial und durch eine zweite Kunststoffmasse aus einem zweiten Kunststoffmaterial gebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Statornut zumindest eine Statorwicklung in die zweite Kunststoffmasse aus dem zweiten Kunststoffmaterial eingebettet. Gemäß dieser Ausführungsform ist die zweite Kunststoffmasse mit der darin eingebetteten Statorwicklung zumindest teilweise von der ersten Kunststoffmasse aus dem ersten Kunststoffmaterial umgeben. Für den Fall, dass - fertigungsbedingt - nicht alle Statorwicklungen vollständig in die zweite Kunststoffmasse eingebettet werden können, verhindert die erste Kunststoffmasse in jedem Fall einen etwaigen elektrischen Kurzschluss mit dem elektrisch leitenden Material des Statorkörpers. Bevorzugt ist die thermische Wärmeleitfähigkeit des zweiten Kunststoffmaterials dabei größer als die thermische Wärmeleitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der elektrisch isolierende Kunststoff teilweise auch durch eine dritte Kunststoffmasse gebildet, welche den Kühlkanal vollständig begrenzt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Statorwicklungen nicht in den Kühlkanal hineinragen und dort mit dem durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittel in Kontakt geraten können.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkanal ausschließlich durch die dritte Kunststoffmasse begrenzt. Alternativ dazu kann der Kühlkanal zumindest teilweise durch die erste Kunststoffmasse und zumindest teilweise durch die dritte Kunststoffmasse begrenzt sein. Auch bei diesen Varianten ist sichergestellt, dass die Statorwicklungen nicht in den Kühlkanal hineinragen und dort mit dem durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittel in Kontakt geraten können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Kühlmittelbeständigkeit des dritten Kunststoffmaterials der dritten Kunststoffmasse größer als die Kühlmittelbeständigkeit des ersten oder zweiten Kunststoffmaterials der ersten bzw. zweiten Kunststoffmasse. Diese Weiterbildung empfiehlt sich, wenn der Kühlkanal ausschließlich von der dritten Kunststoffmasse begrenzt ist, so dass eine Degradation der die Kanalbegrenzung ausbildenden dritten Kunststoffmasse durch das Kühlmittel auf ein Minimum reduziert werden kann.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist eine Kühlmittelbeständigkeit des dritten Kunststoffmaterials der dritten Kunststoffmasse und des ersten Kunststoffmaterials der ersten Kunststoffmasse jeweils größer als die Kühlmittelbeständigkeit des zweiten Kunststoffmaterials der zweiten Kunststoffmasse. Diese Weiterbildung empfiehlt sich, wenn der Kühlkanal von der ersten und der dritten Kunststoffmasse begrenzt ist, so dass eine Degradation der die Kanalbegrenzung ausbildenden ersten bzw. dritten Kunststoffmasse durch das Kühlmittel jeweils minimiert werden kann.
Bevorzugt ist der Kühlkanal in Umfangsrichtung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, durch die erste Kunststoffmasse und radial innen sowie radial außen jeweils zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, durch die dritte Kunststoffmasse begrenzt. Diese Variante ist besonders einfach zu herzustellen und somit kostengünstig.
Zweckmäßig sind in wenigstens einer Statornut, vorzugsweise in wenigstens zwei Statornuten, besonders bevorzugt in allen Statornuten, jeweils sowohl die erste als auch die zweite und dritte Kunststoffmasse angeordnet. Auf diese Weise wird eine stabile Fixierung der Statorwicklung an den Statorzähnen erreicht. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass keine elektrisch leitenden Komponenten wie einzelne Statorwicklungen oder das Blechpacket des Statorkörpers mit dem durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittel in Kontakt gelangt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das erste Kunststoffmaterial einen Duroplasten umfasst oder ist ein Duroplast. Alternativ oder zusätzlich umfasst das zweite Kunststoffmaterial einen Thermoplast oder ist ein solcher Thermoplast. Alternativ oder zusätzlich umfasst das dritte Kunststoffmaterial einen Duroplasten oder ist ein Duroplast. Durch die Verwendung eines Duroplasten mit reduzierter thermischer Wärmeleitfähigkeit in denjenigen Bereichen, die betreffend Wärmeübertragung als weniger kritisch anzusehen sind, gehen reduzierte Herstellungskosten einher. Bei einer weiteren Variante können alle drei Kunststoffmaterialien einen Thermoplasten umfassen oder jeweils ein Thermoplast sein. In diesem Fall wird eine maximale Wärmeleitfähigkeit des elektrisch leitenden Kunststoffs sichergestellt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann auf einer Außenumfangsseite des Statorkörpers eine vierte Kunststoffmasse, die Teil des elektrisch isolierenden Kunststoffs ist, angeordnet sein und somit auf der Außenumfangsseite eine Kunststoffbeschichtung ausbilden. Auf diese Weise kann der typischerweise aus elektrisch leitenden Statorplatten gebildete Statorkörper des Stators elektrisch gegen die Umgebung isoliert werden. Insbesondere kann somit auf die Bereitstellung eines separaten Gehäuses verzichtet werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein zusätzlicher Kühlkanal durch wenigstens einen Durchbruch gebildet, der in einem der Nutenöffnung gegenüberliegenden, radial äußeren Endabschnitt der Statornut angeordnet ist. Diese Variante ist technisch besonders einfach zu realisieren und daher besonders kostengünstig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umgibt oder umhüllt die erste Kunststoffmasse in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung zumindest einen Durchbruch, vorzugsweise alle Durchbrüche, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig. Auf diese Weise kann der den Kühlkanal bildende Durchbruch besonders gut thermisch an die Statorwicklungen angekoppelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist wenigstens ein zusätzlicher Kühlkanal vorhanden und durch wenigstens einen Durchbruch gebildet, der radial außerhalb der Statornut im Statorkörper angeordnet ist. Besagter Durchbruch kann in Form einer Durchgangsbohrung realisiert sein, die mittels einer geeigneten Bohrwerkzeugs im Zuge der Herstellung der elektrischen Maschine in den Statorkörper eingebracht wird. Die Bereitstellung eines separaten Rohrkörpers o.ä. zur Begrenzung des Kühlkanals entfällt bei dieser Variante. Damit gehen reduzierte Herstellungskosten einher. Besonders bevorzugt sind mehrere solche Durchbrüche vorgesehen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der den Kühlkanal bildende Durchbruch zur Statornut hin offen ausgebildet. Dabei ist besagter Durchbruch von der in der Statornut angeordneten, elektrisch isolierenden Kunststoff, vorzugsweise von der ersten Kunststoffmasse, fluiddicht verschlossen. Bei dieser Variante sind die Durchbrüche besonders einfach zu erzeugen, womit Kostenvorteile bei der Herstellung einhergehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum durch einen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in der dritten Kunststoffmasse vorhandenen Hohlraum gebildet. Die Bereitstellung einer separaten Umhüllung bzw. eines Gehäuses zur Begrenzung des Kühlmittelverteiler- bzw. Kühlmittelsammlerraums kann somit entfallen. Auch mit dieser Ausführungsform gehen nicht unerhebliche Kostenvorteile einher.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die erste und/oder die zweite und/oder die dritte und/oder die vierte Kunststoffmasse jeweils eine Spritzgussmasse aus dem ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten Kunststoffmaterial. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens vereinfacht und beschleunigt die Erzeugung der Kunststoffmassen. Dies führt zu Kostenvorteilen bei der Herstellung der elektrischen Maschine.
Zweckmäßig kann die dritte Kunststoffmasse axial aus dem Statornut herausragen. Somit kann die dritte Kunststoffmasse auch zum teilweisen Begrenzen des Kühlmittelverteilerraums bzw. des Kühlmittelsammlerraums verwendet werden. Insbesondere kann ein im Zuge der Herstellung der Maschine erforderliches Entfernen des aus dem Stator herausragenden Teils der zweiten Kunststoffmasse entfallen, womit Kostenvorteile bei der Herstellung der Maschine einhergehen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung schlägt daher vor, dass die dritte und/oder vierte Kunststoffmasse den Kühlmittelverteilerraum und/oder den Kühlmittelsammlerraum zumindest teilweise begrenzt. Die Bereitstellung einer separaten Begrenzung für den Kühlmittelverteilerraum bzw. den Kühlmittelsammlerraum, etwa in Form eines Gehäuses, kann bei dieser Variante entfallen.
Zweckmäßig können in zumindest einer Statornut, vorzugsweise in jeder vorhandenen Statornut, zwischen zwei jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen jeweils zumindest ein Kühlkanal sowie die erste und zweite Kunststoffmasse vorgesehen sein. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass aus allen vorhandenen Statorwicklungen betriebsmäßig erzeugte Abwärme abgeführt werden kann.
Zweckmäßig istdie Wärmeleitfähigkeit der zweiten Kunststoffmasse jeweils größer als die Wärmeleitfähigkeit der ersten bzw. dritten Kunststoffmasse. Auf diese Weise kann die von den Statorwicklungen erzeugte Abwärme besonders effektiv abgeführt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die wenigstens eine Statorwicklung zwei axiale Endabschnitte auf, auf welchen eine zusätzliche elektrisch isolierende Isolation angeordnet ist. Zwar werden die elektrisch leitenden Statorwicklungen üblicherweise bereits mit einer elektrischen Isolation umgeben, um zu verhindern, dass bei Kontakt einzelner Wicklungsabschnitte miteinander elektrische Kurzschlüsse erzeugt werden. Jedoch kann nicht sichergestellt werden, dass nach Fertigung und Montage der Statorwicklungen alle diese Statorwicklungen durchgehend mit einer solchen Isolation ausgestattet sind. Bei dieser Ausführungsform wird daher mittels einer redundanten, zusätzlichen elektrisch isolierenden Isolation sichergestellt, dass die axialen Endabschnitte weder den Kühlmittelverteilerraum noch den Kühlmittelsammlerraum unmittelbar begrenzen. Auf diese Weise kann ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss des im Kühlmittelverteilerraum bzw. im Kühlmittelsammlerraum vorhandenen Kühlmittels mit den elektrisch leitenden Statorwicklungen verhindert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die elektrisch isolierende Isolation zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, durch einen Isolationslack gebildet. Ein solcher Isolationslack kann im Zuge der Herstellung des Stators durch Besprühen auf die Statorwicklungen aufgebracht werden. Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, die zusätzliche Isolation durch den elektrisch isolierenden Kunststoff, vorzugsweise durch die dritte und/oder die vierte Kunststoffmasse, zu bilden. Diese Variante ist besonders einfach herzustellen und somit kostengünstig.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einer vorangehend vorgestellten elektrischen Maschine. Die oben erläuterten Vorteile der elektrischen Maschine übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Fahrzeug.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen, jeweils schematisch:

1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse des Rotor,
2 den Stator der elektrischen Maschine gemäß 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse des Rotors,
3 eine Detaildarstellung des Stators der 2 im Bereich eines Statornut zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen,
4 bis 7 Varianten des Beispiels gemäß 3,
8 eine erste Variante der elektrischen Maschine der 1, bei welcher das durch die Kühlkanäle strömende Kühlmittel auch zur Kühlung der Wellenlager des Rotors verwendet wird,
9 eine zweite Variante der elektrischen Maschine gemäß 1, welche besonders wenig Bauraum beansprucht,
10 eine dritte Variante der Maschine gemäß 1, welche eine besonders effektive Kühlung der Statorwicklungen ermöglicht.

1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 in einer Schnittdarstellung. Die elektrische Maschine 1 ist so dimensioniert, dass sie in einem Fahrzeug, vorzugsweise in einem Straßenfahrzeug, eingesetzt werden kann. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen in der 1 nur grobschematisch dargestellten Rotor 3 und einen Stator 2. Zur Verdeutlichung ist der Stator 2 in 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D entlang der Schnittlinie II - II der 1 in separater Darstellung dargestellt. Entsprechend 1 besitzt der Rotor 3 eine Rotorwelle 31 und kann mehrere, in der 1 nicht näher dargestellte Magnete aufweisen, deren magnetischer Polarisation entlang der Umfangsrichtung U abwechselt. Der Rotor 3 ist um eine Rotationsachse D drehbar, deren Lage durch die Mittellängsachse M der Rotorwelle 31 festgelegt ist. Durch die Rotationsachse D wird eine axiale Richtung A definiert, welche sich parallel zur Rotationsachse D erstreckt. Eine radiale Richtung R steht senkrecht zur axialen Richtung A. Eine Umfangsrichtung U rotiert um die Rotationsachse D.
Wie 1 erkennen lässt, ist der Rotor 3 im Stator 2 angeordnet. Somit handelt es sich bei der hier gezeigten elektrischen Maschine 1 um einen sogenannten Innenläufer. Denkbar ist aber auch eine Realisierung als sogenannter Außenläufer, bei welcher der Rotor 3 außerhalb des Stators 2 angeordnet ist. Die Rotorwelle 31 ist in einem ersten Wellenlager 32a und, dazu axial beabstandet, in einem zweiten Wellenlager 32b um die Rotationsachse D drehbar am Stator 2 gelagert.
Der Stator 2 umfasst außerdem in bekannter Weise mehrere, zum Erzeugen eines magnetischen Feld elektrisch bestrombare Statorwicklungen 6. Durch magnetische Wechselwirkung des von den Magneten des Rotor 3 erzeugten magnetischen Feldes mit dem von den Statorwicklungen 6 erzeugten magnetischen Feld wird der Rotor 3 in Rotation versetzt.
Dem Querschnitt der 2 entnimmt man, dass der Stator 2 einen ringförmigen Statorkörper 7, beispielsweise aus Eisen, aufweisen kann. Insbesondere kann der Statorkörper 7 aus mehreren, entlang der axialen Richtung A aufeinandergestapelten und miteinander verklebten Statorkörperplatten (nicht gezeigt) gebildet sein. An dem Statorkörper 7 sind radial innen mehrere Statorzähne 8 angeformt, die sich entlang der axialen Richtung A erstrecken, radial nach innen vom Statorkörper 7 weg abstehen und entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeordnet sind. Jeder Statorzahn 8 trägt eine Statorwicklung 6. Die einzelnen Statorwicklungen 6 bilden zusammen eine Wicklungsanordnung. Je nach Anzahl der von den Statorwicklungen 6 zu bildenden magnetischen Pole können die einzelnen Statorwicklungen 6 der gesamten Wicklungsanordnung in geeigneter Weise elektrisch miteinander verdrahtet sein.
Im Betrieb der Maschine 1 erzeugen die elektrisch bestromten Statorwicklungen 6 Abwärme, die aus der Maschine 1 abgeführt werden muss, um eine Überhitzung und eine damit einhergehende Beschädigung oder gar Zerstörung der Maschine 1 zu verhindern. Daher werden die Statorwicklungen 6 mithilfe eines Kühlmittels K gekühlt, welches durch den Stator 2 geführt wird und die von den Statorwicklungen 6 erzeugte Abwärme durch Wärmeübertragung aufnimmt.
Um das Kühlmittel K durch den Stator 2 zu führen, umfasst die Maschine 1 einen Kühlmittelverteilerraum 4, in welchen über einen Kühlmitteleinlass 33 ein Kühlmittel K eingeleitet werden kann. Entlang der axialen Richtung A im Abstand zum Kühlmittelverteilerraum 4 ist ein Kühlmittelsammlerraum 5 angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 kommuniziert mittels mehrerer Kühlkanäle 10, von welchen in der Darstellung der 1 nur ein einziger erkennbar ist, fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum 5. In einem in den Figuren nicht gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A können der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils eine ringförmige Geometrie besitzen. Entlang der Umfangsrichtung U sind mehrere Kühlkanäle 10 beabstandet zueinander angeordnet, die sich jeweils entlang der axialen Richtung A vom ringförmigen Kühlmittelverteilerraum 4 zum ringförmigen Kühlmittelsammlerraum 5 erstrecken. Somit kann das über den Kühlmitteleinlass 33 in den Kühlmittelverteilerraum 4 eingebrachte Kühlmittel K auf die einzelnen Kühlkanäle 10 verteilt werden. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 10 und der Aufnahme von Wärme von den Statorwicklungen wird das Kühlmittel K im Kühlmittelsammlerraum 5 gesammelt und über einen am Stator 2 vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 wieder aus der Maschine 1 ausgeleitet.
Wie die Darstellungen der 1 und 2 erkennen lassen, sind die Statorwicklungen 6 in Statornuten 9 angeordnet, die zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 ausgebildet sind. Besagte Statornuten 9 sind dem einschlägigen Fachmann auch als sogenannte „Stator-Nuten“ oder „Stator-Schlitze“ bekannt, die sich ebenso wie die Statorzähne 8 entlang der axialen Richtung A erstrecken.
3 zeigt eine zwischen zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 - diese werden im Folgenden auch als „Statorzähne 8a, 8b“ bezeichnet - ausgebildete Statornut 9 in einer Detaildarstellung und in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A. Die Statornut 9 weist eine radial äußere Nut-Zone 52a auf, die radial nach innen, vom Statorkörper 7 weg in eine radial innere Nut-Zone 52b übergeht. Eine entlang der Umfangsrichtung gemessener radial äußere Zonenbreite b_i der radial äußeren Nut-Zone 52a ist größer als eine entlang der Umfangsrichtung U gemessene radial äußere Zonenbreite b_a der radial äußeren Nut-Zone 52a. Der Übergang 52c von der radial äußere Nut-Zone 52a in die radial innere Nut-Zone 52b ist im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung als Stufe 52d realisiert. Im Erstreckungsbereich zwischen dem Kühlmittelverteilerraum 4 und dem Kühlmittelsammlerraum 5 erstreckt sich der Kühlkanal 10 in der Statornut 9, wo er von dem elektrisch isolierenden Kunststoff 11 begrenzt ist. Die beiden Statorzähne 8a, 8b können radial innen jeweils einen in Umfangsrichtung U abstehenden und die radial innere Nut-Zone 52b begrenzenden Fortsatz 51 a, 51 b aufweisen. Gemäß 3 ist der Kühlkanal 10 innerhalb der Statornut 9 vollständig zwischen diesen beiden Fortsätzen 51a, 51b in der radial inneren Nut-Zone 52b angeordnet. Der Kühlkanal 10 weist in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A die Geometrie eines Trapezes mit zwei Breitseiten 53 und zwei Schmalseiten 54 auf. Bevorzugt besitzt der Kühlkanal 10 - wie in 3 exemplarisch dargestellt - die Geometrie eines Rechtecks.
Um die Wärmeübertragung der von den Statorwicklungen 6 erzeugten Abwärme auf das durch die Kühlkanäle 10 strömende Kühlmittel K zu verbessern, ist entsprechend 3 in den Statornuten 9 jeweils ein elektrisch isolierender Kunststoff 11 vorgesehen.
Der elektrisch isolierende Kunststoff 11 ist durch eine erste Kunststoffmasse K1 aus einem ersten Kunststoffmaterial, durch eine zweite Kunststoffmasse K2 aus einem zweiten Kunststoffmaterial, und durch eine dritte Kunststoffmasse K3 aus einem dritten Kunststoffmaterial gebildet. Das erste Kunststoffmaterial ist ein Duroplast. Das zweite Kunststoffmaterial ist ein Thermoplast. Das dritte Kunststoffmaterial ist wiederum ein Duroplast. Es ist aber auch denkbar, dass alle drei Kunststoffmassen Thermoplaste sind. Die drei Kunststoffmassen K1, K2, K3 können jeweils Spritzgussmassen aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff 11 sein. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens vereinfacht und beschleunigt die Herstellung der Kunststoffmasse. sind.
Im Beispielszenario sind in allen Statornuten 9 jeweils zumindest eine erste und eine zweite Kunststoffmasse K1, K2 angeordnet. Zweckmäßig ist die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Kunststoffmasse K2 jeweils größer als die Wärmeleitfähigkeit der ersten bzw. dritten Kunststoffmasse K1, K3. Auf diese Weise kann die von den Statorwicklungen erzeugte Abwärme besonders effektiv abgeführt werden.
Gemäß 3 sind die in der Statornut 9 angeordneten Statorwicklungen 6 in die Kunststoffmasse K2 aus dem zweiten Kunststoffmaterial eingebettet. Die zweite Kunststoffmasse K2 mit der darin eingebetteten Statorwicklung 6 sind wiederum in die erste Kunststoffmasse K1 aus dem ersten Kunststoffmaterial eingebettet bzw. von dieser umgeben.
Es versteht sich, dass die gemäß 3 in der Statornut 9 angeordnete Statorwicklung 6 jeweils teilweise einer ersten Statorwicklung 6a zugehörig ist, die von dem ersten Statorzahn 8a getragen ist, und teilweise einer zweiten Statorwicklung 6b zugeordnet ist, die von dem zweiten Statorzahn 8b getragen ist. Zur Verdeutlichung dieses Szenarios ist in 3 eine virtuelle Trennlinie 12 eingezeichnet. Die in 3 links der Trennlinie 12 gezeigten Wicklungsdrähte 13a gehören zu der von dem Statorzahn 8a getragenen Statorwicklung 6a. Die rechts der Trennlinie 12 gezeigten Wicklungsdrähte 13b gehören zu der von dem Statorzahn 8b getragenen Statorwicklung 6b.
Im Beispiel der 3 wird der Kühlkanal 10 ausschließlich von der dritten Kunststoffmasse K3 des elektrisch isolierenden Kunststoffs 11 begrenzt. Denkbar ist aber auch, dass das der Kühlkanal 10 in Umfangsrichtung U von der ersten Kunststoffmasse K1 und nur radial innen sowie radial außen von der dritten Kunststoffmasse K3 begrenzt wird (nicht gezeigt).
Im Beispiel der 3 ist in der Statornut 9 zusätzlich zum Kühlkanal 10 ein zusätzlicher Kühlkanal 10a vorgesehen. Dieser wird durch mehrere Durchbrüche 40 - in 3 sind exemplarisch vier solche Durchbrüche 40 dargestellt - gebildet, die in einem der Nutenöffnung 52 gegenüberliegenden, radial äußeren Endabschnitt 55 der Statornut 9 angeordnet sind. In dem in 3 gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A umgibt bzw. umhüllt die erste Kunststoffmasse K1 die Durchbrüche 40 jeweils vollständig. Auf diese Weise können die den Kühlkanal 10 bildende Durchbrüche 40 bzw. das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel K besonders wirksam thermisch an die Statorwicklungen 6 gekoppelt werden.
Die Durchbrüche 40 sind gemäß 3 entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeordnet und erstrecken sich jeweils entlang der axialen Richtung A. Die Durchbrüche 40 können als Durchgangsbohrungen realisiert sein, die mittels eines geeigneten Bohrwerkzeugs in die erste Kunststoffmasse K1 eingebracht werden. Die Durchbrüche 40 können in dem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D jeweils die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Breitseiten 20 und mit zwei Schmalseiten 21 aufweisen. Eine Länge der beiden Breitseiten 20 beträgt dabei wenigstens das Zweifache, vorzugsweise wenigstens das Vierfache, einer Länge der beiden Schmalseiten 21. Somit wird die vorteilhafte Geometrie eines Flachrohrs nachgebildet.
Im Beispiel der 3 sind die den zusätzlichen Kühlkanal 10a bildenden Durchbrüche 40 bzgl. der radialen Richtung R radial außerhalb der Statorwicklungen 6 in der Kunststoffmasse 11 angeordnet. Der radiale Abstand des zusätzlichen Kühlkanals 10a zur Rotationsachse D des Rotors 3 ist also größer als der Abstand der Statorwicklung 6 zur Rotationsachse D; denkbar ist aber auch eine Anordnung der Kühlkanäle 10 radial innen. In dem in 3 gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A erstrecken sich die beiden Breitseiten 20 der Durchbrüche 40 jeweils senkrecht zur radialen Richtung R.
Die 4 zeigt eine Variante des Beispiels der 3. Auch in der Maschine 1 gemäß 4 ist zusätzlich zum Kühlkanal 10 ein zusätzlicher Kühlkanal 10c vorgesehen. Der zusätzliche Kühlkanal 10c ist jedoch nicht in der ersten Kunststoffmasse K1, sondern im Statorkörper 7 des Stators 2 angeordnet. Wie 4 erkennen lässt, sind die den Kühlkanal 10c bildenden Durchbrüche 40 radial außerhalb der Statornut 9 und bzgl. der Umfangsrichtung U zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 8a, 8b im Statorkörper 7 angeordnet. Der zusätzliche Kühlkanal 10c kann, vorzugsweise im Zuge der Herstellung des Statorkörpers 7, durch Einbringen der Durchbrüche 40 - bevorzugt in Form von Bohrungen mit Hilfe eines geeigneten Bohrwerkzeugs - in den Statorkörper 7 bzw. in die den Statorkörper 7 bildenden Statorkörperplatten - gebildet werden.
Die 5 zeigt eine Variante des Beispiels der 4. Auch bei der Variante gemäß 5 sind die den zusätzlichen Kühlkanal 10c bildenden Durchbrüche 40 im Statorkörper 7 des Stators 2 angeordnet. Im Beispiel der 5 sind aber - im Gegensatz zur Variante der 4 - die im Statorkörper 7 angeordneten Durchbrüche 40 zur Statornut 9 hin offen ausgebildet. Die Durchbrüche 40 werden daher radial innen, also zur Statornut 9 hin von der in der Statornut 9 angeordneten ersten Kunststoffmasse K1 fluiddicht verschlossen.
Die 6 zeigt eine Variante der 3. Im Beispiel der 6 ist der Kühlkanal 10 innerhalb der Statornut 9 teilweise in der radial inneren Nut-Zone 52b und teilweise in der radial äußeren Nut-Zone 52a angeordnet. Der Kühlkanal 10 erstreckt sich radial somit auch über den Übergang 52c zwischen den beiden Nut-Zonen 52a, 52b hinweg. Die Variante der 6 ist mit den Varianten der 4 und 5 kombinierbar.
7 zeigt eine weitere Variante der 4. Im Beispiel der 7 ist der Kühlkanal 10 innerhalb der Statornut 9 ausschließlich in der radial äußeren Nut-Zone angeordnet ist. Die Variante der 7 ist mit den Varianten der 3, 5 und 6 kombinierbar. Im Beispiel der 7 ist der Kühlkanal 10 innerhalb der Statornut 9 in einem dem Übergang 53d zugewandten Endabschnitt 56 der radial äußeren Nut-Zone 52a angeordnet. Die Variante der 7 ist mit den Varianten der 3, 5 und 6 kombinierbar.
Außerdem können die vorangehend erläuterten Varianten gemäß den 3 bis 7, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombiniert werden.
Zur Herstellung der vorangehend diskutierten elektrischen Maschine 1 werden die Statorzähne 3 mit der ersten Kunststoffmasse K1 umspritzt. Nach dem Umspritzen wird in die Statornuten 9 in denjenigen Bereich, in welchem der Kühlkanal 10 entstehen soll, eine Maskierung (nicht gezeigt) eingebracht. Die Maskierung füllt also das Volumen der Statornut 9, welches später den Kühlkanal 10 bilden soll, vollständig aus. Durch die Geometrie der Maskierung und ihre Position in der Statornut 9 werden Geometrie und Position des zu bildenden Kühlkanals 10 festgelegt. Die Maskierungen können jeweils in der Art eines Plättchens o.ä. ausgebildet sein (nicht gezeigt).
In einem weiteren Verfahrensschritt werden auf den Statorzähnen 3 die Statorwicklungen 6 angeordnet. In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Statorwicklungen 6 durch zumindest teilweises Umspritzen mit der zweiten Kunststoffmasse K2 auf den Statorzähnen 3 fixiert.
Nach dem Umspritzen mit der zweiten Kunststoffmasse K2 werden die Maskierungen in einem Verfahrensschritt e) wieder aus den Statornuten 9 entfernt, so dass ein nach dem Entfernen der Maskierungen jeweils vorhandener Hohlraum wie gewünscht einen Kühlmittelkanal 10 zum Durchströmen mit einem Kühlmittel ausbilden kann.
In einem weiteren Verfahrensschritt können die die Kühlmittelkanäle 10 begrenzende zweite Kunststoffmasse K2, die mittels der zweiten Kunststoffmasse K2 an den Statorzähnen 3 fixierten Statorwicklungen 6 sowie die vor dem Entfernen der Maskierungen von diesen abgedeckten Oberflächenabschnitte der Statorzähne 3 mit der dritten Kunststoffmasse K3 umspritzt werden.
Nach dem Umspritzen mit der dritten Kunststoffmasse K3 sind die Kühlkanäle 10 entweder von der ersten oder von der dritten Kunststoffmasse K3 begrenzt. Mit anderen Worten, das Umspritzen mit der dritten Kunststoffmasse K3 erfolgt besonders zweckmäßig derart, dass nach dem Umspritzen die Kühlkanäle 10, 10a an keiner Stelle mehr unmittelbar von der Statorwicklungen 6 oder vom Statorkörper 2 begrenzt wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann zumindest eine Außenumfangsseite 30 des Statorkörpers 7 mit einer vierten Kunststoffmasse K4 (vgl. 1) umspritzt werden. Auf diese Weise kann der elektrisch leitende Statorkörper 7 elektrisch gegenüber der äußeren Umgebung der elektrischen Maschine 1 isoliert werden.
Im Folgenden wird wieder auf die 1 Bezug genommen. Wie die 1 anschaulich belegt, kann die vorzugsweise einstückig ausgebildete, dritte Kunststoffmasse K3 axial beidseitig aus den Statornuten 9 herausragen. Dies erlaubt es, auch den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie, alternativ oder zusätzlich, den Kühlmittelsammlerraum 5 zur thermischen Ankopplung an die beiden axialen Endabschnitte 14a, 14b der jeweiligen Statorwicklung 6 in die dritte Kunststoffmasse K3 einzubetten, die axial außerhalb des jeweiligen Statornut 9 angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch im Bereich der üblicherweise thermisch besonders belasteten axialen Endabschnitte 14a, 14b der betreffenden Statorwicklung 6 ein effektiver Wärmeübergang mit dem im Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. Kühlmittelsammlerraum 5 vorhandenen Kühlmittel K hergestellt werden. Diese Maßnahme erlaubt eine besonders effektive Kühlung der beiden axialen Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklung 6.
Ferner ist gemäß 1 der Stator 2 mit dem Statorkörper 7 und den Statorzähnen 8 axial zwischen einem ersten und einem zweiten Lagerschild 25a, 25b angeordnet.
Wie die 1 erkennen lässt, ist ein Teil des Kühlmittelverteilerraums 4 in dem ersten Lagerschild 25a und ein Teil des Kühlmittelsammlerraums 5 in dem zweiten Lagerschild 25b angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 sind somit jeweils teilweise durch einen in der dritten Kunststoffmasse K3 vorgesehenen Hohlraum 41a, 41b gebildet.
Der erste Hohlraum 41a wird dabei durch einen im ersten Lagerschild 25a ausgebildeten Hohlraum 42a zum Kühlmittelverteilerraum 4 ergänzt. Entsprechend wird der zweite Hohlraum 41b durch einen im zweiten Lagerschild 25b ausgebildeten Hohlraum 42b zum Kühlmittelsammlerraum 5 ergänzt. Bei der vorangehend erläuterten Ausführungsvariante begrenzt die dritte Kunststoffmasse K3 den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kühlmittelsammlerraum 5 also zumindest teilweise.
Im ersten Lagerschild 25a kann ferner eine Kühlmittelzuführung 35 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelverteilerraum 4 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in 1 dargestellt umfangsseitig, am ersten Lagerschild 25a vorgesehenen Kühlmitteleinlass 33 verbindet. Im zweiten Lagerschild 25b kann entsprechend eine Kühlmittelabführung 36 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelsammlerraum 5 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in 1 dargestellt umfangsseitig, am Lagerschild 25b vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 verbindet. Dies ermöglicht eine Anordnung des Kühlmittelverteilerraums 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils radial außen am ersten bzw. zweiten Endabschnitt 14a, 14b der betreffenden Statorwicklung 6 und auch in der Verlängerung dieser Endabschnitte 14a, 14b entlang der axialen Richtung A. Die im Betrieb der Maschine 1 thermisch besonders belasteten Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6 werden auch mittels dieser Maßnahme besonders effektiv gekühlt.
Gemäß 1 kann auf einer Außenumfangsseite 30 des Statorkörpers 7 eine vierte Kunststoffmasse K4, die Teil des elektrisch isolierenden Kunststoffs 11 ist, angeordnet sein und somit auf der Außenumfangsseite 30 eine Kunststoffbeschichtung 11.1 ausbilden. Auf diese Weise kann der typischerweise aus elektrisch leitenden Statorplatten gebildete Statorkörper 7 des Stators 2 elektrisch gegen die Umgebung isoliert werden. insbesondere kann somit die Bereitstellung eines separaten Gehäuses zur Aufnahme des Statorkörpers 7 entfallen.
Die 8 zeigt eine Variante des Beispiels der 1. Um auch die Rotorwelle 31 sowie die beiden Wellenlager 32a, 32b im Betrieb der Maschine 1 zu kühlen, kann die Kühlmittelzuführung 35 thermisch an das im ersten Lagerschild 25a angeordnete, erste Wellenlager 32a gekoppelt sein. Ebenso kann die Kühlmittelabführung 36 thermisch an das im zweiten Lagerschild 25b angeordnete, zweite Wellenlager 32b gekoppelt sein. Eine separate Kühleinrichtung zum Kühlen der Wellenlager 32a, 32b kann auf diese Weise entfallen, woraus sich Kostenvorteile ergeben. Im Beispiel der 8 sind der Kühlmitteleinlass 33 und der Kühlmittelauslass 34 an der äußeren Stirnseite 26a, 26b des jeweiligen Lagerschilds 25a, 25b vorgesehen. Bei der Variante gemäß den 8 und 1 sind die Statorwicklungen 6 entlang der radialen Richtung R radial innerhalb der Kühlkanäle 10 angeordnet. Die Statorwicklungen 6 sind mit einem elektrischen Anschluss 50 durch eine im zweiten Lagerschild 25b vorgesehene Durchführung 39 aus dem Stator 2 heraus nach außen geführt, so dass sie von außen elektrisch bestromt werden können. Die Durchführung 39 ist radial zwischen dem Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. dem Kühlmittelsammlerraum 5 und der Drehachse D angeordnet.
Im Beispiel der 9, welche eine gegenüber der 8 vereinfachte Ausführungsform zeigt, sind der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 ausschließlich in der axialen Verlängerung der Kühlkanäle 10 angeordnet. Diese Variante benötigt für den Kühlmittelverteilerraum 4 und für den Kühlmittelsammlerraum 5 besonders wenig Bauraum. Bei der Variante gemäß 9 sind die Statorwicklungen 6 entlang der radialen Richtung R radial innerhalb der Kühlkanäle 10 angeordnet. Die Statorwicklungen 6 sind mit einem elektrischen Anschluss 50 durch eine im zweiten Lagerschild 25b vorgesehene Durchführung 39 aus dem Stator 2 heraus nach außen geführt, so dass sie von außen elektrisch bestromt werden können. Die Durchführung 39 ist bzgl. der radialen Richtung radial außerhalb des Kühlmittelverteilerraums 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 im zweiten Lagerschild 25b angeordnet.
Im Beispiel der 10 ist eine Weiterbildung der 8 gezeigt. Bei dieser Weiterbildung umgibt der Kühlmittelverteilerraum 4 in dem in 10 dargestellten Längsschnitt entlang der Rotationsachse D den ersten axialen Endabschnitt 14a der jeweiligen Statorwicklung 6 U-förmig, also axial endseitig sowie radial innen und radial außen. Entsprechend umgibt der Kühlmittelsammlerraum 5 in dem Längsschnitt entlang der Rotationsachse D den zweiten axialen Endabschnitt 14b der jeweiligen Statorwicklung 6 U-förmig, also axial endseitig sowie radial innen und radial außen. Bei dieser Variante sind Kühlkanäle 10 sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb der Statorwicklung 6 vorgesehen. Somit sind die jeweiligen Statorwicklungen 6 einschließlich ihrer axialen Endabschnitte 14a, 14b über die Kühlkanäle 10 sowie den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kühlmittelsammlerraum 5 in direktem thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel K. Dies erlaubt eine besonders effektive Kühlung der Statorwicklung 6 einschließlich der thermisch besonderen Belastungen ausgesetzten axialen Endabschnitte 14a, 14b.
Auf den axialen Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6 kann jeweils eine zusätzliche elektrisch isolierende Isolation (nicht gezeigt) angeordnet sein. Zwar werden die elektrisch leitenden Statorwicklungen üblicherweise bereits bei ihrer Fertigung mit einer elektrischen Isolation umgeben, um zu verhindern, dass bei Kontakt einzelner Wicklungsabschnitte miteinander elektrische Kurzschlüsse erzeugt werden. Jedoch kann nicht sichergestellt werden, dass nach Fertigung und Montage der Statorwicklungen 6 alle diese Statorwicklungen 6 durchgehend mit einer solchen Isolation ausgestattet sind. Mittels der hier vorgestellten zusätzlichen, also redundanten elektrisch isolierenden Isolation wird sichergestellt, dass die axialen Endabschnitte14a, 14b weder den Kühlmittelverteilerraum 4 noch den Kühlmittelsammlerraum 5 unmittelbar begrenzen. Auf diese Weise kann ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss des im Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. im Kühlmittelsammlerraum 5 vorhandenen Kühlmittels mit den elektrisch leitenden Statorwicklungen 6 verhindert werden.
Die elektrisch isolierende Isolation ist im Beispielszenario zumindest durch einen Isolationslack gebildet. Ein solcher Isolationslack kann im Zuge der Herstellung des Stators 2 durch Besprühen der Statorwicklungen 6 auf diese aufgebracht werden. Die zusätzliche Isolation kann aber auch durch den elektrisch isolierenden Kunststoff 11, beispielsweise durch die dritte Kunststoffmasse K3 sowie, alternativ oder zusätzlich, durch die vierte Kunststoffmasse K4 gebildet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5214325 [0003]

Claims

Elektrische Maschine (1), insbesondere für ein Fahrzeug, - mit einem Rotor (3), der um eine Rotationsachse (D) drehbar ist, durch welche eine axiale Richtung (A) der elektrischen Maschine (1) definiert ist, und mit einem Stator (2), der Statorwicklungen (6) aufweist, - mit einem Kühlmittelverteilerraum (4) und einem axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum (5), wobei der Kühlmittelverteilerraum (4) zum Kühlen der Statorwicklungen (6) mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel (K) durchströmbaren Kühlkanals (10) fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum (5) kommuniziert, - wobei der Stator (2) sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung (U) beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne (8) besitzt, welche die Statorwicklungen (6) tragen und welche von einem Statorkörper (7) des Stators (2) radial nach innen abstehen, - wobei zwischen zwei in Umfangsrichtung (U) benachbarten Statorzähnen (8) jeweils eine Statornut (9) gebildet ist, welche eine radial äußere Nut-Zone (52a, 52b) aufweist, die radial nach innen, vom Statorkörper (7) weg in eine radial innere Nut-Zone (52b) übergeht, deren entlang der Umfangsrichtung (U) gemessene radial innere Zonenbreite (b_i) kleiner ist als die entlang der Umfangsrichtung (U) gemessene radial äußere Zonenbreite (b_a) der radial äußeren Nut-Zone (52a), - wobei zumindest eine Statorwicklung (6) zur thermischen Kopplung in einen elektrisch isolierenden Kunststoff (11) eingebettet ist, der in einer der Statornuten (9) angeordnet ist, - wobei der wenigstens eine Kühlkanal (10) sich zumindest abschnittsweise in der Statornut (9) erstreckt, dort von dem elektrisch isolierenden Kunststoff (11) begrenzt ist und innerhalb der Statornut (9) in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) an einem Übergang (52c) von der radial äußeren zur radial inneren Nut-Zone (52a, 52b) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kühlkanal (10) innerhalb der Statornut (9) vollständig in der radial inneren Nut-Zone (52a) angeordnet ist, oder dass - der Kühlkanal innerhalb der Statornut (9) teilweise in der radial inneren Nut-Zone (52b) und teilweise in der radial äußeren Nut-Zone (52a) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) innerhalb der Statornut (9) ausschließlich in der radial äußeren Nut-Zone (52a) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) innerhalb der Statornut (9) in einem dem Übergang (52c) zugewandten Endabschnitt (56) der radial äußeren Nut-Zone (52a) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Statorzähne (8a, 8b) radial innen jeweils einen in Umfangsrichtung (U) abstehenden und die radial innere Nut-Zone (52b) begrenzenden Fortsatz (51a, 51b) aufweisen, wobei die beiden Fortsätze (51a, 51b) entlang der Umfangsrichtung (U) einander zugewandt sind, wobei der Kühlkanal (10) zumindest teilweise zwischen diesen beiden Fortsätzen (51a, 51b) in der radial inneren Nut-Zone (52b) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Breitseiten (53) und zwei Schmalseiten (54) aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierende Kunststoff (11) zumindest durch eine erste Kunststoffmasse (K1) aus einem ersten Kunststoffmaterial und durch eine zweite Kunststoffmasse (K2) aus einem zweiten Kunststoffmaterial gebildet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - in der Statornut (9) zumindest eine Statorwicklung (6) in die zweite Kunststoffmasse (K2) aus dem zweiten Kunststoffmaterial eingebettet ist, - die zweite Kunststoffmasse (K2) mit der darin eingebetteten Statorwicklung (6) zumindest teilweise von der ersten Kunststoffmasse (K1) aus dem ersten Kunststoffmaterial umgeben und/oder begrenzt, vorzugsweise in diese eingebettet, ist, wobei vorzugsweise die thermische Leitfähigkeit des zweiten Kunststoffmaterials größer ist als die thermische Wärmeleitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierende Kunststoff (11) teilweise auch durch eine dritte Kunststoffmasse (K3) gebildet ist, welche den Kühlkanal (10) zumindest teilweise begrenzt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kühlkanal (10) ausschließlich durch die dritte Kunststoffmasse (K3) begrenzt ist, oder dass - der Kühlkanal (10) zumindest teilweise durch die erste Kunststoffmasse (K1) und zumindest teilweise durch die dritte Kunststoffmasse (K3) begrenzt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmittelbeständigkeit der dritten Kunststoffmasse (K3) größer ist als die Kühlmittelbeständigkeit der ersten oder zweiten Kunststoffmasse (K1, K2)
Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kühlmittelbeständigkeit der ersten und der dritten Kunststoffmasse (K3) jeweils größer ist als die Kühlmittelbeständigkeit der zweiten Kunststoffmasse (K1, K2)
Elektrische Maschine nach Anspruch 12 oder nach Anspruch 10, zweite Alternative, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) in Umfangsrichtung (U) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, durch die erste Kunststoffmasse (K1) und radial innen sowie radial außen jeweils zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, durch die dritte Kunststoffmasse (K3) begrenzt ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens zwei Statornuten (9), vorzugsweise in allen Statornuten (9), jeweils sowohl die erste als auch zweite als auch dritte Kunststoffmasse (K1, K2, K3) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Kunststoffmaterial (K1) einen Duroplasten umfasst oder ein Duroplast ist, und/oder dass - das zweite Kunststoffmaterial (K2, K3) einen Thermoplasten umfasst oder ein Thermoplast ist, und/oder dass - das dritte Kunststoffmaterial (K3) einen Duroplasten umfasst oder ein Duroplast ist,
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Außenumfangsseite (30) des Statorkörpers (7) eine vierte Kunststoffmasse (K4) aus einem vierten Kunststoffmaterial angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzlicher Kühlkanal (10a) durch wenigstens einen Durchbruch (40) gebildet ist, der in einem der Nutenöffnung (52) gegenüberliegenden, radial äußeren Endabschnitt (55) der Statornut (9) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kunststoffmasse (K1) in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) zumindest einen Durchbruch (40), vorzugsweise alle Durchbrüche (40), zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, umgibt oder umhüllt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzlicher Kühlkanal (10c) vorhanden und durch wenigstens einen Durchbruch (40) gebildet ist, der radial außerhalb der Statornut (9) im Statorkörper (7) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der den zusätzlichen Kühlkanal (10c) bildende und im Statorkörper (7) angeordnete Durchbruch (40) zum Statornut (9) hin offen ausgebildet ist und von dem in der Statornut (9) angeordneten elektrisch isolierenden Kunststoff (11), vorzugsweise von der ersten Kunststoffmasse (K1), fluiddicht verschlossen ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsammlerraum (5) zur thermischen Ankopplung an die Statorwicklungen (6) wenigstens teilweise in dem elektrisch isolierenden Kunststoff (11), vorzugsweise in der dritten Kunststoffmasse (K3), angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite und/oder dritte und/oder vierte Kunststoffmasse (K1, K2, K3, K4) durch eine Spritzgussmasse aus dem ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten Kunststoffmaterial gebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die zweite Kunststoffmasse (K2) axial aus dem Statornut (9) herausragt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte und/oder vierte Kunststoffmasse (K3, K4) den Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder den Kühlmittelsammlerraum (5) zumindest teilweise begrenzt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer, vorzugsweise in jeder, Statornut (9) zwischen zwei jeweils in Umfangsrichtung (U) benachbarten Statorzähnen (8a, 8b) zumindest ein Kühlkanal (10) und der elektrisch isolierende Kunststoff (11) vorhanden sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 9 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Kunststoffmasse (K2) jeweils größer ist als die Wärmeleitfähigkeit der ersten oder dritten Kunststoffmasse (K1, K3).
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Statorwicklung (6), vorzugsweise alle Statorwicklungen (6), zwei axiale Endabschnitte (14a, 14b) aufweist/aufweisen, auf welchen eine zusätzliche elektrisch isolierende Isolation angeordnet ist, so dass die axialen Endabschnitte (14a, 14b) weder den Kühlmittelverteilerraum (4) noch den Kühlmittelsammlerraum (5) unmittelbar begrenzen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Isolation zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, durch einen Isolationslack und/oder den elektrisch isolierenden Kunststoff (11), vorzugsweise die dritte und/oder die vierte Kunststoffmasse (K3, K4), gebildet ist.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer elektrischen Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.