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Die vorliegende Erfindung betrifft einen kühlbaren Stator für eine Elektromaschine. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektromaschine, welche einen gattungsgemäßen Stator aufweist.
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Elektromaschinen weisen gewöhnlich einen Rotor auf, welcher von einem Stator umgeben ist. Der Stator weist einen Statorgrundkörper bzw. ein Statorblech mit Statorzähnen und Statornuten auf, wobei die Statornuten zwischen den Statorzähnen angeordnet sind. Um die Statorzähne sowie in den Statornuten sind Statorwicklungen angeordnet, welche zumeist in Form von Spulen aus isolierten Litzen realisiert sind. Diese Spulen weisen jeweils eine bestimmte Masse sowie einen bestimmten ohmscher Widerstand auf, welche durch das Material, die Länge, sowie den Querschnitt der Litzen bestimmt sind. Durch das Material sind Dichte sowie spezifischer ohmscher Widerstand der Litze definiert. Ein Spulenteil der Spulen ist innerhalb von Statornuten angeordnet und bildet somit einen aktiven Teil der Statorwicklung. Ein anderer Spulenteil bildet einen Wickelkopf der Elektromaschine und ist zumeist an axialen Stirnseiten der Elektromaschine angeordnet. Dieser Spulenteil wird auch als Wickelkopfanteil bezeichnet. Eine Leistungsdichte einer Elektromaschine ist von einer Ausbildung der Spulen, insbesondere von einem Durchmesser der Litzen sowie einer Anzahl der Statorwicklungen abhängig.
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Im Betrieb einer Elektromaschine entsteht Verlustleistung in Form von Verlustwärme. Die Leistungsdichte elektrischer Antriebe ist insbesondere von einer Betriebstemperatur der Elektromaschine und der Leistungselektronik abhängig. Eine Überhitzung der Elektromaschine, beispielsweise aufgrund von Verlustwärme, führt zu einer Verringerung der Leistungsdichte und kann zudem zu bleibenden Schäden an der Elektromaschine führen. Beispielsweise können durch zu hohe Temperaturen Isolierungsschichten von Litzen von Statorwicklungen beschädigt werden und somit Kurzschlüsse zwischen benachbarten Litzen verursachen.
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Zur Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung sowie einer Überhitzung, weisen viele Elektromaschinen eine Kühlvorrichtung zur Entwärmung auf. Es sind viele unterschiedliche Kühlvorrichtungen bzw. Kühlsysteme bekannt, welche beispielsweise insbesondere zum Kühlen des Stators oder des Rotors ausgebildet sind. Bei Kühlvorrichtungen zum Kühlen eines Stators einer Elektromaschine wird im Wesentlichen zwischen Kühlvorrichtungen zum Entwärmen des aktiven Teils der Statorwicklung und Kühlvorrichtungen zum Entwärmen des Wickelkopfs der Elektromaschine unterschieden.
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Bekannte Kühlvorrichtungen zum Entwärmen des aktiven Teils der Statorwicklung weisen oftmals einen Kühlmantel mit einer Kühlstruktur auf, welcher den Stator umfasst. Der Kühlmantel ist somit im Bereich des Statorrückschlusses des Stators angeordnet. Die Kühlung erfolgt beispielsweise mit Wasser, Öl, einer Wasser-Glykol-Mischung oder dergleichen. Hierbei handelt es sich um eine indirekte Kühlung, da der Kühlmantel keinen direkten Kontakt zur Statorwicklung aufweist. Eine Kühlung des Wickelkopfs erfolgt zumeist nicht. Daher ist eine solche Kühlvorrichtung insbesondere zur Kühlung von Elektromaschinen geeignet, welche einen verhältnismäßig kleinen Wickelkopfanteil, also eine große Baulänge, aufweisen. Nachteilig bei derartigen Kühlvorrichtungen ist der Wärmeabtransport der Verlustwärme aus der Statorwicklung, welcher durch eine elektrische Isolierung der Statornut, durch das Statorblech und durch die Trennfuge zwischen Statorblech und Kühlmantel zum Kühlfluid hin erfolgt. Somit muss die Verlustwärme mehrere thermische Barrieren bzw. Widerstände überwinden. Dies hat eine zusätzliche Limitierung einer Leistungsfähigkeit der Elektromaschine zur Folge.
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Kühlvorrichtungen zum Entwärmen des Wickelkopfs der Elektromaschine sind oftmals ausgebildet, den Wickelkopf direkt mit einem Fluid, insbesondere Öl, zu besprühen. Auf diese Weise erfolgt eine direkte Kühlung der Statorwicklung am Wickelkopf, wobei eine Kühlung des Stators, insbesondere des Statorblechs nicht erfolgt. Daher sind diese Kühlvorrichtungen insbesondere zur Kühlung von Elektromaschinen geeignet, welche einen verhältnismäßig hohen Wickelkopfanteil, also eine relativ kurze Baulänge, aufweisen.
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Aus der
DE 10 2011 053 299 A1 ist ein Kühlsystem für eine Elektromaschine bekannt, bei welcher im Statorblech Kühlkanäle ausgebildet sind, welche sich radial entlang der Statorzähne sowie zwischen benachbarten Statornuten tangential zur Statorlängsachse erstrecken. Diese Kühlkanäle haben den Nachteil, dass relativ große Bereiche der Statorwicklung hierdurch verloren gehen. Ferner sind Zu- sowie Abströmkanäle im Statorrückschluss vorgesehen, wodurch eine Leistungsdichte der Elektromaschine reduziert ist.
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Die
DE 10 2011 056 007 A1 offenbart ein Kühlsystem für eine Elektromaschine, bei welchem zwischen benachbarten Statorblechen Kühlbleche mit sich radial erstreckenden Kühlkanälen angeordnet sind. Ein solcher Aufbau ist sehr komplex und nur aufwendig herstellbar.
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Die
DE 10 2012 217 711 A1 zeigt eine Elektromaschine mit einem Kühlsystem, bei welchem Kühlkanäle mit einem dreieckigen Querschnitt in einer die Statorwicklungen umgebenen Vergussmasse ausgebildet sind. Ein Kühlkanal ist somit zwischen zwei Statorzahnsegmenten angeordnet. Eine effektive Kühlung der übrigen Statorbereiche ist mit einem solchen Kühlsystem nicht gewährleistet.
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Aus der
DE 10 2014 017 745 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, bei welcher eine Kühlvorrichtung innerhalb der Statornut angeordnet ist und diese einseitig verschließt. Diese Elektromaschine hat den Nachteil, dass eine Anzahl der Statorwicklungen und/oder eine Größe des Statorrückschlusses hierdurch erheblich reduziert sind.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Stator für eine Elektromaschine sowie einer Elektromaschine zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stator für eine Elektromaschine sowie eine Elektromaschine zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise bei einem vorgegebenen Bauraum sowie einer vorgegebenen Leistungsdichte eine verbesserte Kühlung des Stators gewährleisten.
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Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch einen Stator mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch eine Elektromaschine mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 8 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektromaschine und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Stator für eine Elektromaschine gelöst. Der Stator weist ein Statorblech auf, welches sich um eine Statorlängsachse des Stators herum sowie entlang der Statorlängsachse erstreckt. Das Statorblech weist eine Mehrzahl von Statorzähnen auf, welche in Umfangsrichtung des Stators verteilt angeordnet sind und sich zur Statorlängsachse hin sowie entlang der Statorlängsachse erstrecken. Zwischen benachbarten Statorzähnen ist jeweils eine Statornut ausgebildet. Erfindungsgemäß ist zwischen mindestens einer Statornut und einem der mindestens einen Statornut benachbarten Statorzahn eine Kühlkanalwandung des Stators derart angeordnet, dass zwischen der Kühlkanalwandung und dem Statorzahn ein sich parallel zur Statorlängsachse erstreckender Kühlkanal ausgebildet ist.
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Das Statorblech ist vorzugsweise aus einem Elektroblech hergestellt und weist vorzugsweise eine Legierung aus Eisen und Silizium auf. Vorzugsweise ist das Elektroblech durch Kaltwalzen hergestellt. Das Statorblech ist vorzugsweise aus einer Vielzahl, insbesondere koaxial angeordneter, miteinander verbundener, insbesondere verklebter sowie untereinander elektrisch isolierter, Statorblechscheiben zusammengesetzt. Vorzugsweise sind die Statorblechscheiben mittels Backlack miteinander verklebt. Alternativ kann das Statorblech auch mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein, wobei eine abschnittsweise elektrische Isolierung von Statorlängsachsenabschnitten bevorzugt ist, um Wirbelströme durch den Stator zu vermeiden.
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Die Statorlängsachse entspricht vorzugsweise einer Rotorlängsachse bei eingebautem Rotor. Das Statorblech erstreckt sich um die Statorlängsachse herum und weist einen zentralen Freiraum im Bereich der Statorlängsachse zur Aufnahme des Rotors auf. Somit ist ein Querschnitt des Statorblechs, abgesehen von den Statornuten, Kühlkanälen und dergleichen, vorzugsweise kreisringförmig bzw. im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet. Überdies erstreckt sich das Statorblech entlang der Statorlängsachse, sodass das Statorblech, abgesehen von den Statornuten, Kühlkanälen und dergleichen, vorzugsweise hohlzylinderförmig bzw. im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist.
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Die Statorzähne erstrecken sich vorzugsweise von einem gemeinsamen Statorrückschluss, über welchen die Statorzähne miteinander verbunden sind, zur Statorlängsachse hin und enden am zentralen Freiraum zur Aufnahme des Rotors. Die Statorzähne sind in Umfangsrichtung des Stators, vorzugsweise regelmäßig, insbesondere gleichmäßig, verteilt. An dem der Statorlängsachse zugewandten Ende weisen die Statorzähne vorzugsweise einen Statorzahnkopf auf, welcher eine größere Breite als übrige Bereiche des Statorzahns aufweist. Die übrigen Bereiche des Statorzahns weisen vorzugsweise eine konstante bzw. zumindest im Wesentlichen konstante Breite auf.
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Zwischen benachbarten Statorzähnen sind Statornuten mit einer Nutinnenwandung ausgebildet. Die Statornuten sind vorzugsweise durch ein trennendes Fertigungsverfahren, wie z. B. Stanzen, Laserschneiden oder dergleichen, hergestellt. Vorzugsweise ist auf der Nutinnenwandung zur Abdichtung eine Kleber- oder Lackschicht angeordnet, insbesondere aufgesprüht. Dies ist insbesondere bei einem Statorblech vorteilhaft, welches aus nicht miteinander verklebten Statorblechscheiben zusammengesetzt ist.
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In den Statornuten sind vorzugsweise Statorwicklungen angeordnet, wobei die Statorwicklungen vorzugsweise Litzenleitungen aufweisen. Litzenleitungen weisen eine Vielzahl von Einzeldrähten auf, welche dicht zusammengebündelt von einer gemeinsamen Isolierhülle umschlossen und somit radial nach außen isoliert sind. Die Einzeldrähte sind vorzugsweise miteinander verdrillt. Die Statorwicklungen in den Statornuten bilden vorzugsweise den aktiven Teil der Statorwicklung. Die übrigen Statorwicklungen, welche an Stirnseiten des Stators angeordnet sind, bilden vorzugsweise den Wickelkopf.
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Die Kühlkanalwandung weist vorzugsweise ein Material mit einer besonders vorteilhaften bzw. hohen Wärmeleitfähigkeit auf, um einen Wärmeaustausch zwischen einem Kühlfluid, wie z. B. Wasser, Öl oder dergleichen, und den Statorwicklungen zu verbessern bzw. nicht übermäßig zu behindern. Vorzugsweise ist die Kühlkanalwandung einteilig sowie in das Statorblech einschiebbar ausgebildet. Somit ist eine leichte Montierbarkeit der Kühlkanalwandung gewährleistet. Überdies ist die Kühlkanalwandung vorzugsweise auf einer den Statorwicklungen zugewandten Seite elektrisch isoliert, insbesondere mittels einer Klebe- oder Lackschicht, eines Isolationspapiers oder dergleichen. Die Isolierung weist vorzugsweise ebenfalls eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf, um den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlfluid und den Statorwicklungen zu verbessern bzw. nicht übermäßig zu behindern. Daher ist eine dünne Kleber- oder Lackschicht als Isolierung der Kühlkanalwandung bevorzugt.
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Die Kühlkanalwandung umgibt die Statornut vorzugsweise von mehreren Seiten, sodass auf mehreren Seiten der Statornut Kühlkanäle ausgebildet sind. Über die Kühlkanalwandung ist der Kühlkanal vorzugsweise gegenüber der Statornut abgedichtet, sodass ein Eindringen des Kühlfluids in die Statornut vermieden wird. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, dass der Kühlkanal gegenüber dem Statorblech abgedichtet ist, wie z. B. innerhalb einer Nut im Statorblech geführt und/oder mit dem Statorblech verklebt oder dergleichen. Der Kühlkanal kann erfindungsgemäß in mehrere Kühlkanäle aufgeteilt sein, welche sich vorzugsweise parallel zueinander entlang der Statorlängsachse erstrecken.
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Die Statorwicklungen sind vorzugsweise derart an den Statornuten angeordnet, dass die Statorwicklungen an den Kühlkanalwandungen abgestützt sind. Vorzugsweise ist eine Statornut mittels einer umlaufenden oder zweier getrennter Kühlkanalwandungen von den unmittelbar benachbarten Statorzähnen getrennt, sodass die Statornut beidseitig von Kühlkanälen umgeben ist. Vorzugsweise ist das dem Statorrückschluss zugewandte Ende der Statornut ebenfalls durch eine Kühlkanalwandung begrenzt, sodass zwischen Statorrückschluss und Statornut ein Kühlkanal ausgebildet ist. Es ist bevorzugt, dass die Kühlkanalwandung zur Statornut hin konvex bzw. zumindest leicht konvex ausgebildet ist, sodass beim Anordnen der Statorwicklungen in der Statornut, ein Verbiegen der Kühlkanalwandung zum benachbarten Statorzahn hin vermieden wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Kühlkanäle beim Anordnen der Statorwicklungen nicht verschlossen bzw. übermäßig verengt werden.
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Ein erfindungsgemäßer Stator hat gegenüber herkömmlichen Statoren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Kühlung des Stators bereitgestellt ist, welche besonders nah am Entstehungsort der Verlustwärme des Stators, nämlich an den Statorwicklungen, wirkt. Zwischen den Litzendrähten und dem Kühlmedium des Kühlkanals sind nur wenige Wärmeflussbarrieren angeordnet. Auf diese Weise ist der Stator besonders effizient entwärmbar und somit das Einhalten einer vorgegebenen Betriebstemperatur auch bei besonders hohen Belastungen gewährleistbar. Überdies kann auf einen zusätzlichen Kühlmantel verzichtet werden, sodass die Statornuten vergrößerbar und der Statorrückschluss weiter von der Statorlängsachse in radialer Richtung nach außen führbar ist. Hierdurch kann eine Leistungsdichte des Stators erhöht werden. Mittels eines erfindungsgemäßen Stators sind somit bei vorgegebenem Bauraum eine Leistungsdichte sowie ein Wirkungsgrad einer Elektromaschine signifikant verbesserbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Stator vorgesehen sein, dass zwischen der Kühlkanalwandung und dem Statorzahn wenigstens ein Abstützmittel zum Abstützen der Kühlkanalwandung gegenüber dem Statorzahn angeordnet ist. Die Abstützmittel sind vorzugsweise ausgebildet, den Kühlkanal in mehrere Kühlkanäle zu unterteilen. Vorzugsweise sind die Kühlkanäle ausgebildet, unabhängig voneinander mit einem Kühlfluid durchströmt zu werden. Vorzugsweise ist eine Kühlkanalwandung mittels mehrerer Abstützmittel gegen den Statorzahn abgestützt. Die Abstützmittel sind vorzugsweise derart verteilt, eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung zu gewährleisten, wenn die Statorwicklungen an der Kühlkanalwandung angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Abstützmittel an der Kühlkanalwandung fixiert oder zumindest teilweise mit dieser monolithisch ausgebildet. Abstützmittel haben den Vorteil, dass beim Anordnen der Statorwicklungen in der Statornut ein Verbiegen der Kühlkanalwandung zum Statorzahn hin vermieden oder zumindest im Wesentlichen vermieden wird.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Abstützmittel einen elektrischen Isolator aufweist oder als elektrischer Isolator ausgebildet ist. Der elektrische Isolator ist vorzugsweise zumindest in einem Kontaktbereich des Abstützmittels zum benachbarten Statorzahn angeordnet. Als elektrischer Isolator sind beispielsweise Klebstoff, Lack, Harz, Keramik oder dergleichen bevorzugt. Mittels eines elektrischen Isolators kann eine elektrische Festigkeit des Stators weiter verbessert werden.
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Weiter bevorzugt weist die Kühlkanalwandung einen u-förmigen Querschnitt oder zumindest einen im Wesentlichen u-förmigen Querschnitt auf. Die beiden Schenkel der Kühlkanalwandung erstrecken sich vorzugsweise parallel zueinander, im Wesentlichen in Richtung der Statorlängsachse. Der Statorlängsachse benachbarte Enden der Kühlkanalwandung sind vorzugsweise in Nuten an benachbarten Statorzahnkopf aufgenommen und fluiddicht und vorzugsweise elektrisch isoliert abgedichtet. Auf diese Weise ist die Kühlkanalwandung leicht sowie mit einfachen Mitteln zwischen zwei Statorzähnen befestigbar. Der Kühlkanal ist demnach vorzugsweise nur zu den Stirnseiten des Stators offen und ansonsten kühlfluiddicht abgedichtet. Eine derartige Kühlkanalwandung hat den Vorteil, dass diese leicht herstellbar sowie am Statorblech montierbar ist, insbesondere durch Einschieben in das Statorblech. Ferner ist mittels eines derart ausgebildeten Statorblechs ein Kühlkanal bereitstellbar, welcher die Statornut und somit die Statorwicklungen von drei Seiten umgibt. Ein u-förmiger Querschnitt hat den Vorteil, dass hiermit eine besonders effiziente Entwärmung der Statorwicklungen sowie eine leichte Montage erzielbar sind.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Stator vorgesehen sein, dass die Kühlkanalwandung in mindestens einem Teilabschnitt eine Ausbuchtung aufweist. Die Ausbuchtung ist vorzugsweise in Richtung des unmittelbar benachbarten Statorzahns ausgebildet, sodass im Teilabschnitt die der Statornut zugewandte Seite der Kühlkanalwandung konkav und die dem Statorzahn zugewandte Seite der Kühlkanalwandung konvex ausgebildet sind. Die Ausbuchtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass mindestens ein Litzendraht innerhalb der Ausbuchtung anordenbar ist. Vorzugsweise sind mehrere Litzendrähte innerhalb der Ausbuchtung anordenbar. Ebenfalls bevorzugt weist die Kühlkanalwandung mehrere derartige Ausbuchtungen auf, welche insbesondere gleichmäßig bzw. regelmäßig über die Kühlkanalwandung verteilt sind. Ferner ist es bevorzugt, dass die Kühlkanalwandung im Bereich der Ausbuchtung den benachbarten Statorzahn berührt und somit als Abstützmittel ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass auf zusätzliche Abstützmittel verzichtet werden kann. Vorzugsweise ist die Kühlkanalwandung an der Berührstelle mit dem Statorzahn elektrisch isoliert. Eine Ausbuchtung hat den Vorteil, dass hiermit eine Vergrößerung einer Kontaktoberfläche zwischen Kühlkanalwandung und Statorwicklung sowie zwischen Kühlkanalwandung und Kühlfluid erzielbar ist. Auf diese Weise ist ein Wärmeübergang zwischen Litzendraht und Kühlfluid und somit eine Kühlleistung des Stators verbesserbar.
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Es ist bevorzugt, dass die Kühlkanalwandung in dem mindestens einen Teilabschnitt einen zickzackförmigen Querschnitt oder einen wellenförmigen Querschnitt aufweist. Vorzugsweise kontaktiert die Kühlkanalwandung an Wellenbergen bzw. Spitzen den benachbarten Statorzahn. Dabei ist bevorzugt, dass die Kühlkanalwandung an den Kontaktstellen elektrisch isoliert ist. Ein derartiger Querschnitt hat den Vorteil, dass die Kühlkanalwandung somit eine größere Oberfläche für den Wärmeaustausch zwischen Litzendrähten und Kühlfluid aufweist. Ferner weist eine derartige Kühlkanalwandung eine höhere Steifigkeit gegen Verbiegen auf. Zudem kann auf zusätzliche Abstützmittel verzichtet werden.
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Vorzugsweise ist die Kühlkanalwandung mit dem Statorblech monolithisch ausgebildet. Die Kühlkanalwandung ist vorzugsweise durch Entfernen des Elektroblechmaterials im Bereich der Kühlkanäle, z.B. durch Stanzen, Laserschneiden oder dergleichen, ausgebildet. Alternativ kann das Statorblech mit Kühlkanalwandung mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein. Somit ist das Statorblech mit integriertem Kühlkanal sowie integrierter Kühlkanalwandung mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig herstellbar. Ein zusätzliches Abdichten der Kühlkanalwandung zum Statorblech ist aufgrund der monolithischen Ausbildung nicht erforderlich.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Elektromaschine mit einem Rotor und einem den Rotor umgebenden Stator gelöst, wobei der Stator als erfindungsgemäßer Stator ausgebildet ist. Der Rotor ist vorzugsweise gemäß einem herkömmlichen Rotor einer herkömmlichen Elektromaschine ausgebildet. Vorzugsweise weist der Rotor ebenfalls Kühlkanäle zum direkten Kühlen des Rotors auf.
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Die Kühlkanäle des Stators sind beispielsweise über eine gemeinsame Kühlfluidzufuhr der Elektromaschine mit Kühlfluid beaufschlagbar. Ferner weist die Elektromaschine vorzugsweise eine Kühlfluidabfuhr auf, über welche das Kühlfluid aus den Kühlkanälen der Elektromaschine abführbar ist. Alternativ weist die Elektromaschine für die Kühlkanäle separate Kühlfluidzufuhrleitungen sowie Kühlfluidabfuhrleitungen auf, sodass die einzelnen Kühlfluidkanäle separat voneinander mit Kühlfluid beaufschlagbar sind. Mittels Temperatursensoren im Bereich der Kühlkanäle sowie einer geeigneten Steuerelektronik ist somit ein gezieltes Entwärmen des Stators möglich.
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Bei der beschriebenen Elektromaschine ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Stator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat die erfindungsgemäße Elektromaschine gegenüber bekannten Elektromaschinen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Kühlung des Stators bereitgestellt ist, welche besonders nah am Entstehungsort der Verlustwärme des Stators, nämlich an den Statorwicklungen, wirkt. Zwischen den Litzendrähten und dem Kühlmedium des Kühlkanals sind nur wenige Wärmeflussbarrieren angeordnet. Auf diese Weise ist der Stator besonders effizient entwärmbar und somit das Einhalten einer vorgegebenen Betriebstemperatur der Elektromaschine auch bei besonders hohen Belastungen gewährleistbar. Überdies kann bei der Elektromaschine auf einen zusätzlichen, den Stator umgebenden Kühlmantel verzichtet werden, sodass die Statornuten vergrößerbar und der Statorrückschluss weiter von der Statorlängsachse in radialer Richtung nach außen führbar ist. Hierdurch kann eine Leistungsdichte der Elektromaschine erhöht werden. Die erfindungsgemäße Elektromaschine weist bei vorgegebenem Bauraum eine signifikant verbesserte Leistungsdichte sowie einen erheblich erhöhten Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen mit alternativen Kühlungssystemen auf.
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Es ist bevorzugt, dass auf einer der Statornut zugewandten Seite der Kühlkanalwandung ein Isolationspapier angeordnet ist. Das Isolationspapier stellt eine elektrische Isolierung der Kühlkanalwandung zur Statorwicklung bereit und erhöht auf vorteilhafte Weise sowie mit einfachen Mitteln eine elektrische Festigkeit der Elektromaschine.
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Vorzugsweise weist die Elektromaschine an mindestens einer ersten Stirnseite einen ersten Abschlussdeckel auf, wobei der erste Abschlussdeckel den Stator derart abdeckt, dass die Kühlkanäle zur ersten Stirnseite hin abgedichtet sind. Weiter bevorzugt weist die Elektromaschine an einer zweiten Stirnseite einen zweiten Abschlussdeckel auf, welcher den Stator derart abdeckt, dass die Kühlkanäle zur zweiten Stirnseite hin abgedichtet sind. Der erste Abschlussdeckel weist vorzugsweise einen Zulauf zur Zufuhr von Kühlfluid auf, wobei der Zulauf mit den Kühlkanälen fluidkommunizierend gekoppelt sowie gegenüber einer Umgebung abgedichtet ist. Der zweite Abschlussdeckel weist vorzugsweise einen Ablauf zur Abfuhr von Kühlfluid auf, wobei der Ablauf mit den Kühlkanälen fluidkommunizierend gekoppelt sowie gegenüber einer Umgebung abgedichtet ist. Alternativ weist der erste Abschlussdeckel Zulauf und Ablauf auf. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass der zweite Abschlussdeckel Kühlkanäle miteinander fluidkommunizierend verbindet und zur Umgebung abdichtet. Die Abschlussdeckel sind derart ausgebildet, dass ein Fluidstrom durch die Elektromaschine vom Zulauf durch die Fluidkanäle zum Ablauf hin leitbar ist, wobei ein Austreten von Kühlfluid innerhalb der Elektromaschine vorzugsweise vermieden wird. Vorzugsweise sind die Abschlussdeckel als elektrische Isolatoren ausgebildet oder zumindest gegenüber dem Statorblech und/oder den Statorwicklungen elektrisch isoliert.
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Ein erfindungsgemäßer Stator sowie eine erfindungsgemäße Elektromaschine werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt einer Elektromaschine nach dem Stand der Technik,
- 2 in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer bevorzugten ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators,
- 3 in einer Draufsicht einen vergrößerten Ausschnitt aus 2,
- 4 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt einer ersten Stirnseite des Stators aus 2 mit Dichtungsvorrichtungen,
- 5 in einer perspektivischen Ansicht den Stator aus 4 mit Abschlussdeckeln,
- 6 in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer bevorzugten zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators,
- 7 in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer bevorzugten dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators, und
- 8 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 8 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Ausschnitt einer Elektromaschine 2 nach dem Stand der Technik schematisch in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die Elektromaschine 2 weist einen Rotor 11 auf, welcher von einem Stator 1 umgeben ist. Der Stator 1 weist ein Statorblech 3 mit einer Vielzahl von Statornuten 6 sowie einem Statorrückschluss 15 auf. In den Statornuten 6 sind Statorwicklungen 17 angeordnet, welche außerhalb der Statornuten 6 einen Wickelkopf 18 bilden. An einer vom Rotor 11 wegweisenden Außenfläche des Stators 1 ist ein Kühlmantel 16 mit mehreren Kühlkanälen 8 angeordnet. Eine Effiziente Kühlung der Statorwicklungen 17, insbesondere innerhalb der Statornuten 6, ist mit einer derartigen Elektromaschine 2 nicht möglich.
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2 zeigt einen Ausschnitt einer bevorzugten ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators 1 schematisch in einer Draufsicht. In 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus 2 gezeigt. Der Stator 1 weist ein Statorblech 3 mit einer Mehrzahl von Statorzähnen 5 sowie einem die Statorzähne 5 verbindenden Statorrückschluss 15 auf. Zwischen benachbarten Statorzähnen 5 ist jeweils eine Statornut 6 angeordnet. Zwischen der Statornut 6 und dem Statorblech 3 ist eine Kühlkanalwandung 7 angeordnet, welche über eine Mehrzahl von Abstützmitteln 9 gegen das Statorblech 3 abgestützt ist. Die Kühlkanalwandung 7 ist in Aufnahmenuten 20 von zwei benachbarten Statorzahnköpfen 19 der Statorzähne 5 des Statorblechs 3 gehalten und gegen das Statorblech 3 abgedichtet. Zwischen der Kühlkanalwandung 7 und dem Statorblech 3 sind mehrere Kühlkanäle 8 ausgebildet, welche durch die Abstützmittel 9 voneinander getrennt sind. Alternativ können die Kühlkanäle 8 auch fluidkommunizierend miteinander gekoppelt sein bzw. einen gemeinsamen Kühlkanal 8 bilden. Die Kühlkanäle 8 sind zum Durchleiten eines Kühlfluids, wie z. B. Wasser, Öl oder dergleichen, ausgebildet. In der Statornut 6 ist eine Statorwicklung 17 angeordnet, welche gegen die Kühlkanalwandung 7 abgestützt ist. Zwischen der Kühlkanalwandung 7 und der Statorwicklung 17 ist ein optionales Isolationspapier 12 zur elektrischen Isolierung angeordnet.
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In 4 ist ein Ausschnitt einer ersten Stirnseite 13 des Stators 1 aus 2 in einer perspektivischen Ansicht schematisch dargestellt. Im Bereich des Statorrückschlusses 15 ist eine umlaufende Dichtung 21 angeordnet. Ferner ist eine Dichtung 21 an Stirnseiten der Kühlkanalwandungen 7 angeordnet. Die Dichtungen 21 sind zum Abdichten gegenüber einem hier nicht gezeigten ersten Abschlussdeckel 14 (vgl. 5) ausgebildet, um das unbeabsichtigte Austreten des Kühlfluids aus dem Stator 1 zu vermeiden.
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5 zeigt den Stator 1 aus 4 mit Abschlussdeckeln 14, 23 schematisch in einer perspektivischen Ansicht. An der ersten Stirnseite 13 des Statorblechs 3 ist ein erster Abschlussdeckel 14 angeordnet und über die Dichtungen 21 abgedichtet. Somit ist ein Kühlmittelzulaufanschluss 24 mit den in dieser Ansicht verdeckten Kühlkanälen 8 fluidkommunizierend verbunden sowie zur Umgebung abgedichtet. Auf einer zweiten Stirnseite 22 des Statorblechs 3 ist ein zweiter Abschlussdeckel 23 angeordnet und über die Dichtungen 21 abgedichtet. Somit ist ein Kühlmittelablaufanschluss 25 mit den in dieser Ansicht verdeckten Kühlkanälen 8 fluidkommunizierend verbunden sowie zur Umgebung abgedichtet. Demnach sind Kühlmittelzulaufanschluss 24 und Kühlmittelablaufanschluss 25 über die Kühlkanäle 8 fluidkommunizierend miteinander verbunden. Kühlmittelzulaufanschluss 24 und Kühlmittelablaufanschluss 25 sind vorzugsweise zum Anschließen an eine nicht dargestellte Kühlmittelpumpe mit einer Kühlmittelkühlvorrichtung ausgebildet.
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6 zeigt einen Ausschnitt einer bevorzugten zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators 1 schematisch in einer Draufsicht. Der Stator 1 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen durch eine monolithische Ausbildung von Statorblech 3, Kühlkanalwandung 7 und Abstützmittel 9. Ein solches Statorblech 3 ist besonders leicht sowie kostengünstig herstellbar und ermöglicht eine Reduzierung der Montageschritte des Stators 1, da eine zusätzliche Montage der Kühlkanalwandungen 7 entfällt.
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In 7 ist ein Ausschnitt einer bevorzugten dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators 1 schematisch in einer Draufsicht abgebildet. Der Stator 1 der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen in einer Ausbildung der Kühlkanalwandung 7. Die Kühlkanalwandung 7 weist eine Wellenform mit mehreren Ausbuchtungen 10 auf, wobei die Ausbuchtungen 10 als Abstützmittel 9 ausgebildet sind und die Kühlkanalwandung 7 gegen das Statorblech 3 abstützen. Ein Teil der Statorwicklungen 17 ist in den Ausbuchtungen 10 angeordnet, während ein anderer Teil der Statorwicklungen 17 in übrigen Bereichen der Statornut 6 angeordnet ist. Zwischen zwei Ausbuchtungen 10 sowie dem Statorblech 3 ist der Kühlkanal 8 ausgebildet.
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8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2 schematisch in einer Seitenansicht. Die Elektromaschine 2 weist einen Rotor 11 auf, welcher von einem erfindungsgemäßen Stator 1 umgeben ist. Stator 1 und Rotor 11 sind koaxial zur Statorlängsachse 4 angeordnet. An einer ersten Stirnseite 13 der Elektromaschine 2 ist ein Kühlmittelzulaufanschluss 24 angeordnet. An einer zweiten Stirnseite 22 der Elektromaschine 2, welche der ersten Stirnseite 13 entgegengesetzt ist, ist ein Kühlmittelablaufanschluss 25 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Elektromaschine
- 3
- Statorblech
- 4
- Statorlängsachse
- 5
- Statorzahn
- 6
- Statornut
- 7
- Kühlkanalwandung
- 8
- Kühlkanal
- 9
- Abstützmittel
- 10
- Ausbuchtung
- 11
- Rotor
- 12
- Isolationspapier
- 13
- erste Stirnseite
- 14
- erster Abschlussdeckel
- 15
- Statorrückschluss
- 16
- Kühlmantel
- 17
- Statorwicklung
- 18
- Wickelkopf
- 19
- Statorzahnkopf
- 20
- Aufnahmenut
- 21
- Dichtung
- 22
- zweite Stirnseite
- 23
- zweiter Abschlussdeckel
- 24
- Kühlmittelzulaufanschluss
- 25
- Kühlmittelablaufanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011053299 A1 [0007]
- DE 102011056007 A1 [0008]
- DE 102012217711 A1 [0009]
- DE 102014017745 A1 [0010]
