DE102018102750A1

DE102018102750A1 - Stator für Drehfeldmaschine mit axialer Wärmeableitung

Info

Publication number: DE102018102750A1
Application number: DE102018102750.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Leiber
Original assignee: Ipgate Capital Holding AG
Current assignee: Ipgate Capital Holding AG
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2019-08-08
Also published as: CN111699619A; GB2585576B; US11646641B2; WO2019154731A1; CN111699619B; GB2585576A; US20210351668A1; GB202013951D0

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (S) einer Drehfeldmaschine, wobei der Stator (S) mehrere Erregerwicklungen (5) trägt und mindestens ein Wärmeleitmittel (22, 23, WI) zur Wärmeabfuhr in axialer Richtung vorgesehen ist, wobei das Wärmeleitmittel (22, 23, WI) an der Stirnseite (5s) mindestens einer Erregerwicklung (5) oder an einer die Erregerwicklung (5) umgebenden Vergussmasse (V) oder Isolierung anliegt und zudem mit einer Wärmesenke (13a, 13f), insbesondere in Form des Statorträgers (13), Kühlkörpers (KK) und/oder Gehäuses (G), zum Abtransport der Wärme in Verbindung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator einer Drehfeldmaschine, wobei der Stator mehrere Erregerwicklungen trägt.
Stand der Technik:
Bekannte Drehfeldmaschinen bzw. Elektromotoren sind in der Regel als permanenterregte Innen- oder Außenläufermotoren ausgeführt. Diese werden zunehmend als elektrischer Antriebsmotor von Zweiradfahrzeugen, Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), sowie in mittels Propeller angetriebenen Antriebssystemen im maritimen Bereich und der Luftfahrt eingesetzt. Effizienz ist insbesondere bei mittels Batterien bzw. Li-Ionen-Batterie angetriebenen Fahrzeugen, Schiffen und auch neuerdings Elektroflugzeuge die primäre Auslegungsgröße, da durch die Effizienz die Größe der Batterie und somit die Gesamtkosten primär bestimmt werden. In der Gesamtbetrachtung sind jedoch auch die Kosten des E-Motors zu beachten, wodurch ein kosteneffizienter Einsatz von verschiedensten Materialien notwendig und relevant ist. Im Luftfahrtbereich, insbesondere bei elektrisch angetriebenen Flugzeugen ist neben der Effizienz zudem die Leistungsdichte zu beachten, weshalb der Einsatz von Permanentmagneten im Allgemeinen bevorzugt wird.
Um eine hohe Effizienz und Leistungsdichte zu erreichen, werden neben dem Einsatz von Permanentmagneten diverse Maßnahmen zur Reduzierung der Verluste vorgenommen. Unterschieden werden Kupferverluste in den Spulen, die Eisenverluste in allen eisenhaltigen und magnetkreisrelevanten Motorkomponenten und die Reibungsverluste in den Lagern.
Um Kupferverluste zu reduzieren, wird die Einzelzahntechnik sowie Wickelung von Einzelzähnen bzw. Doppelzähnen favorisiert. Mit der Einzelzahnwickeltechnik kann die Erregerspule präzise gewickelt werden, wodurch der Kupferfüllgrad bei Elektromotoren erhöht wird. Bei Außenläufern wird neben Einzelzahntechnik auch Wickeltechnik mit Biegestator, wie in EP 2179488 B1 beschrieben, eingesetzt.
Um Eisenverluste zu reduzieren, werden geblechte Statoren mit geringer Blechdicke, insbesondere Si-Fe-Bleche mit Blechdicken <= 0,3 mm sowie geblechte Rotoren bzw. optional zur Reduzierung der Wirbelstromverluste auch gestückelte Permanentmagnete eingesetzt. Zudem werden zunehmend Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit, insbesondere Permanentmagnete mit hoher Remanenz und gleichzeitig hoher Koerzitivfeldstärke H_CJ eingesetzt. Diese hohe Temperaturbeständigkeit führt zu sehr hohen Kosten, da z.B. derartige Permanentmagnete einen hohen Dysprosium-Anteil aufweisen. Zudem sind Statorbleche mit sehr geringen Verlusten (Blechdicke 0,1-0,2 mm) oder hohem Sättigungsgrad (z.B. Co-Eisen-Bleche) sehr teuer.
Aus dem Stand der Technik sind jedoch wenige Ansätze bekannt, wie die Leistung des Motors durch sehr effiziente Wärmeleitung zur Erhöhung der Wärmeabfuhr des Motors gesteigert werden kann.
In WO 2010/099974 ist zum Beispiel ein Doppelrotor mit einer sehr aufwändigen Wasserkühlung realisiert. Die Kühlkanäle werden in einem Duroplast-Spritzgießprozess realisiert und verlaufen zwischen den Erregerspulen vom Gehäuse zum Wickelkopf und sind am Wickelkopf umgelenkt. Eine derartige Kühlung ist extrem kostenintensiv und zudem nicht optimal, da Wickelraum für Kupferspulen verloren geht.
Ein anderer Ansatz zur Wärmeleitung ist in WO2010/099975 realisiert. Bei diesem Doppelrotormotor wird der Stator mit einem Duroplastmaterial mit guten Wärmeleiteigenschaften umspritzt. Gleichzeitig muss bei der Auswahl des Duroplastmaterials Wert auf Steifigkeit gelegt werden, da die Umspritzung des Stators im wesentlich zur Stabilität des freitragenden Stators im Betrieb beiträgt. Weiter ist in W02010/099975 offenbart, dass durch den Verguss und die guten Wärmeleiteigenschaften des Duroplastmaterials der Wärmeübergang vom Wickelkopf der Erregerspulen zum Gehäuse verbessert werden kann.
Die in WO2010/099975 offenbarte Lösung hat jedoch einige Schwächen. Zum einem muss beim Duroplast-Spritzguss primär die Festigkeit beachtet werden und somit kann bei der Auswahl des Materials nicht ausschließlich auf die Wärmeleiteigenschaften Wert gelegt werden. Zudem ist das Verfahren mit einem Material mit zugleich hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit sehr kostenintensiv, da der komplette Stator erst im Duroplastvergussverfahren seine finale Stabilität und Wärmeleitfähigkeit erhält. Die Statorzähne müssen während des Gussverfahrens sehr solide fixiert werden, da beim Duroplast-Spritzguss mit hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Zudem ist ein hoher Materialeinsatz mit sehr teuren Füllstoffen (Wärmeleiter z.B. Bor-Nitrid, festigkeitsverbessernde Materialen wie z.B. Kohlefaser oder Glasfaser) erforderlich. Zuletzt erlaubt das Konzept des Doppelrotormotors eine Wärmeleitung prinzipbedingt nur in eine Richtung.
Zur Optimierung der elektrischen Isolierung der Statorzähne werden üblicherweise Statorzahnendstücke aus Kunststoff verwendet, wobei dann die Isolation des Mittelbereichs durch eine dünne Kapton-Folie mit akzeptablem Leitwert (0,12-0,3 W/mK) und ausreichender Durchschlagfestigkeit > 2 kV erfolgt. Durch die Dünnwandigkeit der Kapton-Folie kann jedoch über diesen Wärmepfad mehr Wärme übertragen werden. Durch die dünne Folie wird die Wärmestrecke von Erregerspule zum Stator hin reduziert sowie der Kupferfüllgrad erhöht, da die dünnwandige Kapton-Folie mehr Raum für die Kupferspulen im Wickelfenster zulässt. Diese Isolationstechnik wird jedoch in erster Linie eingesetzt, um den Kupferfüllgrad der Elektromotoren zu verbessern. Eine verbesserte Kühlleistung resultiert daraus nicht, da üblicherweise die Spule nicht an der Kapton-Folie anliegt und somit sich ein gewisser Luftspalt zwischen der heißen Spule und der wärmeabführenden Kapton-Folie und der Erregerspule befindet, was bedingt ist durch die fehlende Präzision in der Wickeltechnik.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Wärmeabfuhr von den Wicklungen über den Statorzahn bzw. Außenstator zu verbessern und das Gewicht des Außenstators zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Stator einer Drehfeldmaschine gelöst, dessen Stator mehrere Erregerwicklungen trägt und mindestens ein Wärmeleitmittel zu Wärmeabfuhr in axialer Richtung vorgesehen aufweist, wobei das Wärmeleitmittel an der Stirnseite mindestens einer Erregerwicklung oder an einer die Erregerwicklung umgebenden Vergussmasse oder Isolierung anliegt und zudem mit einer Wärmesenke, insbesondere in Form des Statorträgers, Kühlkörpers oder Gehäuses, zum Abtransport der Wärme in Verbindung ist.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von Wärmeleitmitteln, welche an der Stirnseite der Erregerwicklungen anliegen, wird vorteilhaft auch in axialer Richtung von der Erregerwicklung Wärme abtransportiert, wodurch die Wärmeableitung deutlich verbessert wird und damit die mit dem Stator ausgestattete Drehfeldmaschine leistungsfähiger wird.
Aufgrund der Maximalgrenze des Betriebes bestimmter Werkstoffe, wie z.B. Kupferspulen mit einer typischen Maximaltemperatur von 180°C, ist die maximale Dauerleistung eines Elektromotors durch die Temperatur der Wärmesenke und der Temperaturdifferenz in der Erregerspule begrenzt. Wird der thermische Leitwert zwischen Spule und Wärmesenke halbiert, führt dies zu einer Leistungssteigerung um ca. Faktor 1,5 bis 2. Daher ist die effiziente Wärmeabfuhr von besonderer Bedeutung.
Es ist zudem von Vorteil, wenn das Wärmeleitmittel entweder mittels einer Feder gegen die Erregerwicklung kraftbeaufschlagt ist, wobei sich in diesem Fall z.B. die Feder unmittelbar oder über Zwischenteile an dem Statorträger, Kühlkörper oder Gehäuse abstützt, oder aber das elektrisch isolierende Wärmeleitmittel mittels eines Schraubgewindes an die Erregerspule anpressbar ist, wobei es im letzteren Fall z.B. in eine Bohrung mit Innengewinde des Statorträgers, Kühlkörpers oder Gehäuses einschraubbar ist. Das Wärmeleitmittel, insbesondere der Schraublösung, besteht aus zwei Teilen: (a) einem isolierenden Kopfstück vorzugsweise aus Bor-Nitrid, Silizium-Carbid oder Keramik und (b) einem Träger aus Aluminium. Durch das Kopfstück erfolgt die elektrische Isolation, durch den Rest die Wärmeleitung.
Zusätzlich zu den axial an den Erregerspulen anliegenden und in axialer Richtung Wärme abführenden Wärmeleitmitteln können noch zwischen den Statorzähnen oder durch zwei Statorzähne gebildeten Zahngruppen, welche insbesondere U-förmige Joche bilden, noch Zwischenelemente angeordnet sein. Diese können lediglich zwischen den Statorzähne bzw. Zahngruppen eingelegt sein oder aber auch zur Verbindung dieser dienen. So können diese Zwischenelemente insbesondere dort angeordnet sein, wo kein oder kein wesentlicher magnetischer Fluss fließt, so dass sie diesen nicht nachteilig behindern. Aus diesem Grund können die Zwischenelemente auch aus einem anderen Material gefertigt sein als die Statorzähne bzw. die den magnetischen Rückschluss zwischen den Statorzähnen bildenden Bereiche bzw. Teile.
Die Zwischenelemente erstrecken sich dabei vorteilhaft in axialer Richtung entlang des Stators und können vorteilhaft zur Wärmeabfuhr in axialer Richtung aus dem Stator heraus dienen. Sie können auch aus einem anderen Material als die Statorzähne gefertigt sein, welche insbesondere leichter und/oder besser die Wärme leitet als das Material der Statorzähne. Vorteilhaft hat das Material der Zwischenelemente eine Wärmeleitfähigkeit λ2 von größer als Eisen (80 W/mk) mit mindestens 150 W/mK (z.B. Wärmeleitwert von Magnesium), insbesondere größer 200 W/mK (Wärmeleitwert von Aluminium). Es ist somit vorteilhaft aus Aluminium oder Magnesium oder einer Legierung von diesen Materialien hergestellt.
Der erfindungsgemäße Stator kann selbstverständlich als Innenstator oder Außenstator ausgebildet sein. Vorteilhaft weist er eine Anzahl von N Statorzähnen auf, die zusammen eine Anzahl von N/2 Zahngruppen ZG_i=1...N/2 bilden, und jeder Statorzahn jeweils einen Polkern und einen daran angeformten Polschuh aufweist. Dabei bilden jeweils zwei unmittelbar benachbart angeordnete Statorzähne eine Zahngruppe ZG_i , welche mit einem magnetischen Rückschlussmittel, welches zwischen den beiden Statorzähnen der Zahngruppe angeordnet oder mit diesen einstückig ausgebildet ist, Bestandteil eines Magnetkreises sind. Die oben beschriebenen Zwischenelemente sind in diesem Falle zwischen zwei benachbarten Zahngruppen angeordnet.
Ebenso ist es möglich, dass die Statorzähne bzw. Zahngruppen über Stege miteinander verbunden sind, wobei die Stege eine geringere Querschnittsfläche aufweisen, als die den magnetischen Rückschluss bildenden Verbindungsbereich zwischen zwei Statorzähnen. Bei einer derartigen Ausführungsform liegen die Zwischenelemente zwischen den Wicklungsdrähten der Erregerspulen, den Statorzähnen und den Stegen ein und an diesen an. Ebenso ist es möglich, dass die Statorzähne bzw. Zahngruppen an einem Innenring angeordnet bzw. an diesem befestigt sind, wobei dann die Zwischenelemente an dem Innenring, den Statorzähnen und den Erregerwicklungen bzw. einem dazwischen angeordnetem zusätzlichen Wärmeleitelement anliegen.
Ebenso ist es möglich, dass bei den zuvor beschriebenen möglichen Ausführungsformen zusätzlich zwischen Erregerspule und Statorzahn mindestens ein weiteres Wärmeleitelement angeordnet ist, welches insbesondere auch mit dem Zwischenelement zur Wärmeübertragung in Kontakt sein kann. Dieses zusätzliche Wärmeleitelement kann neben der Wärmeableitung in Umfangsrichtung auch zur radialen Wärmeabfuhr von der Erregerspule dienen, wobei dies bei einem Innenläufer radial nach außen und bei einem Außenläufer radial nach innen hin zum wärmeabführenden Zwischenelement erfolgt. Das zusätzliche Wärmeleitelement erstreckt sich dabei ebenfalls in axialer Richtung des Stators und kann vorteilhaft ein Formstück mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 5 W/mK sein.
Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen kann im oder am Zwischenelement mindestens ein Wärmeleitmittel, insbesondere in Form eines Wasserkanals einer Wasserkühlung oder einer Heat-Pipe, angeordnet sein, welches sich in axialer Richtung des Stators erstreckt und ebenfalls zum Abtransport von Wärme in axialer Richtung dient. Das Wärmeleitmittel in Form einer Heat-Pipe kann auch mit einem zusätzlichen Kühlkörper in Kontakt sein. Sofern im Stator eine Wasser- bzw. Fluidkühlung vorgesehen ist, wird das das Zwischenelement durchströmende Fluid durch oder am Kühlkörper zur Wärmeabgabe an diesen durch- bzw. entlangströmen.
Alternativ kann auch ein Heat-Pipe als ein klassisches Wärmerohr mit einem hermetisch gekapselten Volumen, das mit einem Arbeitsmedium (z.B. Wasser oder Ammoniak) gefüllt ist, eingesetzt werden. Durch Heat-Pipes kann die Wärmeabfuhr um mehr als Faktor 100, insbesondere Faktor 1000 noch weiter verbessert werden als beim Einsatz von Feststoffstiften wie z.B. Kupfer.
Zusätzlich kann bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen der Raum zwischen den Wicklungen der Erregerspulen in den Wicklungsnuten mittels einer zusätzlichen Vergussmasse, welche insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,25 W/mK aufweist, vergossen sein. Der Verguss erfolgt insbesondere vorteilhaft derart, dass keine Lufteinschlüsse mehr zwischen den Spulendrähten der Wicklungen vorhanden sind, wodurch sich ebenfalls eine sehr gute Wärmeableitung aus den Erregerspulen heraus hin zum Statorzahn und den axialen Wärmeleitelementen bzw. -mitteln ergibt.
Der erfindungsgemäße Stator kann auch derart ausgebildet sein, dass die Statorzähne bzw. die Zahngruppen entweder in axialer Richtung auf einen Statorinnenring aufgeschoben sind, insbesondere mittels Schwalbenschwanzführungen an diesem gehalten sind, oder dass ein Statorzahn radial in eine Ausnehmung des Innenrings eingreift und mittels eines im Querschnitt keilförmigen Zwischenelementes in Position gehalten ist.
Auch ist es möglich, dass im oder am Statorträger und/oder dem Innenring oder einem zusätzlichen Stützring (OT) mindestens ein, sich insbesondere in axialer Richtung parallel zu den Statorzähnen erstreckender Kanal für eine Wasserkühlung und/oder mindestens eine Heat-Pipe angeordnet ist. Hierdurch kann die Wärmeabfuhr in axialer Richtung zusätzlich noch erhöht und damit die Leistungsfähigkeit der Drehfeldmaschine erhöht werden.
Es ist selbstverständlich, dass auch eine Drehfeldmaschine mit einem zuvor beschriebenen Stator Erfindungsgegenstand ist und beansprucht wird. Dabei kann der Statorträger unmittelbar oder über ein Zwischenteil an einem Gehäuse der Drehfeldmaschine angeordnet oder befestigt sein. Zusätzlich kann auch noch ein Kühlkörper am Statorträger angeordnet sein, wobei dann die Heat-Pipe oder die Wasserkühlung Wärme hin zum Kühlkörper transportiert und über diesen an das Gehäuse oder die Umgebung abgibt. Auch kann bei einer erfindungsgemäßen Drehfeldmaschine ein Elektronikmodul vorgesehen sein, welches im oder am Gehäuse der Drehfeldmaschine angeordnet ist, und vorteilhaft auch in Kontakt mit dem Kühlkörper ist. Das Gehäuse der Drehfeldmaschine kann selbstverständlich auch zumindest zum Teil als Kühlkörper mit entsprechend großer Oberfläche zur Wärmeabgabe ausgebildet sein. Auch ist es möglich, dass nur bestimmte Elektronikkomponenten, wie z.B. die Leistungselektronik, unmittelbar ihre Wärme an den Kühlkörper abgeben. Es ist selbstverständlich ebenso im Sinne der Erfindung, wenn die Drehfeldmaschine bzw. der erfindungsgemäße Stator mehrere Kühlkörper aufweist.
Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen mehrere mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stators sowie möglicher Drehfeldmaschinen erläutert.
Es zeigen:

1: Eine Drehfeldmaschine mit einer ersten möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators mit axial an den Erregerspulen anliegenden Wärmeleitmitteln;
2: weitere mögliche Ausgestaltung axial an den Erregerspulen anliegender Wärmeleitmittel;
2a: Ausschnittsvergrößerung von 2;
3: einen Teil des Querschnitts durch eine erste mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Innenstators mit mittels Stegen verbundener Zahngruppen;
4: mögliche Abwandlung des Innenstators gemäß 3 mit separat gefertigten Polschuhen, welcher mittels einer Vergussmasse vergossen ist, wobei ein zusätzlicher optionaler Innenring mit oder ohne Wasserkühlung vorgesehen sein kann;
5: weitere mögliche Ausgestaltung eines Innenstators mit Innenring und daran befestigter Statorzähne, wobei auch hier ein zusätzlicher optionaler Innenring mit oder ohne Wasserkühlung vorgesehen sein kann;
6: weitere mögliche Ausführungsform, wobei die Statorzähne einer Zahngruppe einteilig ausgebildet sind und ein U-förmiges Joch bilden, wobei das Joch mittels Schwalbenschwanzführungen an einem Innenring befestigt sind;
7: Querschnittsdarstellung durch eine Drehfeldmaschine mit Außenläufer und Innenstator, mit mehreren axialen Wärmeleitpfaden;
8: Doppeltopfdrehfeldmaschine mit zwei Innenstatoren mit axialer Wärmeabfuhr;
9: erfindungsgemäßer Außenstator mit axialem Wärmeleitmittel.

Die 1 zeigt eine Drehfeldmaschine mit einer ersten möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators S mit axial an den Erregerspulen anliegenden Wärmeleitmitteln 22, 22a und 23a, 23a, 23b. Das Wärmeleitmittel 22, 22a besteht dabei aus einer wärmeleitenden Ringplatte 22a, welche an einem z.B. aus Metall gefertigten Grundkörper 22 befestigt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass das Wärmeleitmittel lediglich aus einem wärmeleitenden Körper 22a besteht, wobei dann auf den Grundkörper 22 verzichtet werden kann. Mittels einer Feder 21, welche zusammen mit dem Wärmeleitmittel bzw. dessen Grundkörper 22 in einer Ausnehmung 13d, insbesondere in Form eines Sackloches, des Statorträgers 13 einliegt und sich an dessen Boden abstützt, wird das Wärmeleitmittel 22, 22a axial gegen die Erregerwicklung 5 gedrückt. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmeleitmittel 23 vorgesehen werden, welches mit einem Außengewinde 23a versehen ist, mit dem es in die Innenbohrung mit Innengewinde 13c des Statorträgers 13 einschraubbar und mit seiner wärmeleitenden Ringplatte bzw. Platten 23b axial gegen die Erregerwicklung 5 bzw. deren Isolierung oder Vergußmaterial V andrückbar ist. Mittels des Gewindes 23a kann vorteilhaft ein großer Druck auf die Erregerwicklung 5 aufgebracht werden, so dass deren Wicklungsdrähte eng aneinanderdrückbar sind, wodurch ein guter Wärmeübergang realisierbar ist. Es versteht sich von selbst, dass in Umfangsrichtung des Stators jeweils im Bereich eines Statorzahns jeweils mindestens ein Wärmeleitmittels 22, 22a, 23, 23a, 23b vorgesehen werden kann. Die Erregerwicklung ist auf einem Wicklungsträger 2 aufgewickelt, welcher gleichzeitig die elektrische Isolierung bildet und optional auch zum Wärmetransport von der Erregerwicklung hin zum Statorzahn 1 oder weiterer Wärmeleitmittel 11, 21, 31, 31' ausgebildet sein kann. Mögliche Ausbildungen des Wicklungsträgers 2 sowie der weiteren möglichen Wärmeleitmittel 11, 21, 31, 31' für den verbesserten Wärmetransport sind in den 3 bis 8 dargestellt und anhand dieser näher beschrieben.
Der Statorträger 13 ist an der Innenseite des Gehäuses G angeordnet und an diesem befestigt. Der Innenstator S wird zudem von dem topfförmigen Rotor 16 umfasst, welcher an seiner zylindrischen Innenwandung einen geblechten magnetischen Rückschluss 14 sowie Permanentmagnete 10 trägt. Die Lagerung des Rotors im Gehäuses G ist nicht dargestellt und kann beliebig ausgebildet werden.
Die 2 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung axial an den Erregerspulen anliegender Wärmeleitmittel WI. Das Wärmeleitmittel WI ist, wie in der Ausschnittsvergrößerung gem. 2a, dabei bevorzugt eine Ringplatte aus einem sehr gut wärmeleitenden Material, welches vorzugsweise mittels einer Feder aus gut leitfähigen Material (z.B. Aluminium, Stahl) 19, die sich an dem Bereich 13f des Statorträgers 13 abstützt, gegen die axiale Stirnseite der Erregerwicklung 5 bzw. deren Vergussmasse V großflächig gedrückt wird.
Auf die Feder kann, wie in 2 dargestellt, auch verzichtet werden. In diesem Fall werden entsprechend der Wickelgüte entsprechende keilförmige Platten mit einem Radius, z.B. zwei Halbschalen in den Bereich zwischen Wickelkopf und Statorträger eingeschoben und nachher vergossen. Diese Scheiben können auch in der Dicke angepasst werden, z.B. für die Güte der Wickelung bzw. unterschiedlich geometrische Dicken für unterschiedliche Windungszahlen eines Motors aufweisen. Damit kann der Abstand minimiert werden und der Wärmeübergang optimiert werden. Zwingend ist in diesem Fall ein Verguss des Stators mit den Wärmeleitmitteln WI und dem Bereich 13f des Statorträgers. Auch ist ein geringfügiges Anpressen der Wickelung damit möglich, da das Wärmeleitmittel isolierend ist und somit keinen Durchschlag verursacht. Dabei kann in Umfangsrichtung wieder jeweils pro Statorzahn jeweils mindestens ein Wärmeleitmittel WI vorgesehen sein. Ansonsten ist der übrige Aufbau der Drehfeldmaschine dem der in 1 dargestellten Drehfeldmaschine sehr ähnlich.
Die 3 zeigt einen Teil des Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Innenstator S eines Außenläufers gemäß einer möglichen Ausführungsform, wobei mittels Pfeilen die Wärmeflussrichtungen WF-A1, WF-A2 angezeigt sind.
Bei dem Innenstator S bilden jeweils zwei benachbarte Statorzähne 1 jeweils eine Zahngruppe ZG_i . Eine Zahngruppe ZG_i bildet dabei ein im Wesentlichen U-förmiges Joch. Die Zahngruppen ZG_i sind dabei jeweils mittels sich in axialer Richtung AX erstreckender Stege ST miteinander verbunden.
Die Zwischenelemente 21 haben die Aufgabe, die Kühlleistung zu erhöhen und sind somit vorteilhafterweise aus einem Material mit gutem thermischen Leitwert. Ist das Zwischenelement 21 aus einem elektrisch leitfähigen Material, so muss es hin zur Spule 5 noch separat isoliert werden, was z.B. mittels Isolationsmaterial, Isolatoren und/oder zusätzlicher Wärmeleitelemente erfolgen kann. Durch die Zwischenelemente 21 kann zudem das Gewicht des Innenstators S reduziert werden. Auch kann die Wärmeleitung direkt von der Spule 5 hin zum Zwischenelement 21 erfolgen, sofern ein zusätzliches Element mit guter thermischer Leitfähigkeit zwischen Erregerspule 5 und Polkern 1b angeordnet ist. Vorteil dieser Zwischenelemente 21 ist, dass hier ein Material mit wesentlich günstigeren thermischen Leitwerten eingesetzt werden kann, als das sich im Standardfall dort befindliche Statorblech. Es ergeben sich somit weitere parallele Wärmepfade WF-A1 und WF-A2, statt lediglich von Spule 5 hin zum Statorzahn 1 und von dort aus zum Gehäuse der Drehfeldmaschine.
Jeder Statorzahn 1 besteht dabei aus dem Polkern 1b und dem angeformten Polschuh 1a, wobei die Statorzähne 1 einer Zahngruppe ZG_i mittels dem magnetischen Rückschlussmittel 25 miteinander verbunden sind. Die Statorzähne 1 einer Zahngruppe können dabei durch U-förmige Statorbleche gebildet sein. Die Spulen 5 sind mittels geeigneter Isolation 2, 12a von den Statorzähnen 1 elektrisch isoliert, wobei die Isolation 2 bzw. die Wärmeleitmittel 12a zum Wärmeabtransport von den Spulen in Richtung WF-A1 Statorzahn 1 dienen können.
Die Statorzähne 1 und magnetischen Rückschlüsse 25 sind aus einem ersten, insbesondere ferromagnetischen Material MA1 gefertigt. Die Zwischenelemente 21 sind aus einem zweiten anderen Material MA2 gefertigt, welches insbesondere leichter und/oder einen besseren Leitwert als das erste Material MA1 aufweist. Die Statorzähne einer Zahngruppe bilden zusammen mit ihrem magnetischen Rückschlusselement 25 ein u-förmiges Joch, welche einen Teil des Magnetkreises MF bildet. Der die Statorzähne 1 einer Zahngruppe ZG_i miteinander verbindende Bereich 25 bildet den magnetischen Rückschluss und weist eine radiale Breite B₂ auf, welche der Breite B₁ der Polkerne 1b entspricht. Die radiale Breite B₃ der Stege ST ist gegenüber der Breite B₂ wesentlich kleiner, wobei der hierdurch freigewordene Bereich zwischen Steg ST und Erregerspule 5 für das Zwischenelement 21 genutzt wird. Die Breite B1 und B2 sind gleich, wenn ein nicht anisotropes Material eingesetzt wird. B2 ist größer als B1, wenn ein anisotropes Material mit magnetischer Vorzugsrichtung im Polkern 1b eingesetzt wird.
Der nicht dargestellte Außenrotor kann beispielhaft mit Permanentmagneten bestückt sein.
In die Zwischenelemente 21 kann entweder ein Wasserkühlkreislauf WK und/oder Heat-Pipes HP integriert sein, welche sich in axialer Richtung erstrecken und mit einem Wärmetauscher bzw. Kühlkörper in Verbindung sind, die z.B. axial neben dem Innenstator S angeordnet sein können. Die Heat-Pipes HP können auch durch sehr gut wärmeleitende Formelemente, z.B. Kupfer- oder Keramikstifte, gebildet sein, mittels derer die Wärmleiteigenschaften weiter gegenüber dem nicht-ferromagnetischen Grundmaterial der Zwischenelemente verbessert werden. Durch diese Stifte wird insbesondere die axiale Wärmeleitung optimiert, was in der Ausgestaltung eines Außenläufermotors zur Wärmeabfuhr besonders wichtig ist.
Alternativ kann auch ein Heat-Pipe als ein klassisches Wärmerohr mit einem hermetisch gekapselten Volumen, das mit einem Arbeitsmedium (z.B. Wasser oder Ammoniak) gefüllt ist, eingesetzt werden. Durch Heat-Pipes kann die Wärmeabfuhr um mehr als Faktor 100, insbesondere Faktor 1000 noch weiter verbessert werden als beim Einsatz von Feststoffstiften wie z.B. Kupfer.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform werden, im Gegensatz zur in 1 dargestellten und beschriebenen Ausführungsform, die Polschuhe 1a, die für eine sinusförmige Gestaltung des magnetischen Flusses erforderlich sind, separat gefertigt und nach Bestückung der Polkerne 1b mit den Erregerspulen 5 auf den Statorkern 1b aufgesetzt. Damit können Einzelspulen 5 mit entsprechenden optimierter Lagengestaltung in idealer Wickeltechnik vorgewickelt werden. Hier ist es sogar möglich, formgenau Spulen mit mehr als zwei Spulenlagen vorzusehen. Diese können auf Spulenträgern 2 erfolgen, die dann radial aufgeschoben werden bzw. als Erregerspulen 5 ohne Wickelkörper erfolgen, die auf den vorher umspritzten oder isolierten Statorkern 1b aufgesetzt werden. Nach der Bestückung werden die Polschuhe 1a aufgepresst oder aufgeklebt. Wird der Stator nach Bewicklung vergossen (Vergussmasse V), sind nicht besonders hohe Anforderungen an die Pressverbindung oder Klebverbindung zu stellen, da der Polschuh 1a durch das Vergussverfahren stabilisiert wird.
Diese Ausführungsform ist daher sinnvoll, um den Kupferfüllgrad zu optimieren, in dem die Spulen entsprechend der Wickelform nacheinander auf den einen Stator ohne Polschuhe aufgeschoben werden können, wobei zuerst die Erregerspule mit (n+x)-Lagen bzw. an die Wickelgeometrie angepasste Keilform auf jeden zweiten Statorkern 1b aufgeschoben und dann die Erregerspulen mit (n)-Lagen auf jeden zweiten benachbarten Jochzahn, so dass beim Aufschieben die Erregerspulen nicht berührt werden. Zudem ist der Statorkern 1b vor dem Aufschieben bereits mit einer Isolation versehen, wie in 4 bis 7 ausgeführt. Alternativ kann die Spule auch auf einen Wickelkörper gewickelt sein und mit dem Wickelkörper auf den Zahn geschoben werden
Die U-förmigen Joche 1b, 25 sind bei dieser Ausführungsform einstückig mit den Stegen ST ausgebildet, die die einzelnen Zahngruppen ZG_i miteinander verbinden. Auch hier gelten die gleichen Bedingungen für B₁ , B₂ und B₃ , wie sie in 1 beschrieben sind.
Zusätzlich kann noch ein Innenring OT zur Verstärkung und/oder zur Kühlung des Stators S eingesetzt bzw. angeordnet werden, welcher radial innen an den Zahngruppen ZG und den Stegen ST, insbesondere vollflächig anliegt, derart, dass ein guter Wärmeübergang erfolgen kann. Optional kann noch in diesem zusätzlichen Ring OT eine aktive Kühlung mittels eines Fluids, wie z.B. einer Wasserkühlung WK, oder eine passive Kühlung mittels nicht dargestellter Heat-Pips HP erfolgen. Die Wärme kann dabei über die Kühlung WK hin zu einem z.B. axial neben dem Stator angeordneten Kühlkörper, wie er z.B. in 7 dargestellt ist, oder hin zum Statorträger 13 oder dem Gehäuse G erfolgen.
Die 5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform des mehrteiligen Innenstators S. Bei dieser Ausführungsform sind die einzelnen Statorzähne 1 mit ihren Enden 1f an einem inneren Statorinnenring R angeordnet bzw. z.B. mittels einer Schwalbenschanzführung 1g verbunden. Auch bei dieser Ausführungsform bilden jeweils zwei benachbart angeordnete Statorzähne jeweils eine Zahngruppe ZG_i . Dabei ist zwischen den Statorzähnen einer Zahngruppe ZG_i jeweils ein magnetisches Rückschlussmittel 35 angeordnet, über das der Magnetkreis MF der jeweiligen Zahngruppe geschlossen wird. Sofern der Statorinnenring R aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, kann auch ein Teil des Magnetflusses über den Statorinnenring R fließen. Vorzugsweise kann das magnetische Rückschlussmittel 35 ein Blechpaket mit anisotroper Vorzugsrichtung in Flussrichtung sein. Vorzugsweise sollten die Breiten B₁ und B₂ gleich groß sein.
Die in den Zwischenelementen 31, 31'angeordnete Wasserkühlung WK bzw. Heat-Pipe HP verläuft in axialer Richtung durch den Innenstator S und bildet den Wärmepfad WF-B.
Zwischen den U-Jochen, welche jeweils eine Zahngruppe ZG_i bilden, ist wiederum ein Zwischenelement 31, 31' angeordnet, welches als Wärmeleitelement dient. Diese Ausführungsform bietet gegenüber den Ausführungsformen der 1 und 2 die Möglichkeit, die Einzelzähne 1 vorher zu isolieren und zu bewickeln. Dabei kann die Statorisolationstechnik mit Wärmeleiteigenschaften der Ausführungsformen von 7a bis 10 angewendet werden und die Erregerspulen mit einem maximalen Füllgrad mit optional ungleicher Bewickelung der Nachbarzähne ausgeführt werden. Die Windungszahl benachbarter Zähne ist vorzugsweise zur Füllgradoptimierung unterschiedlich, setzt jedoch voraus, dass die benachbarten Zähne in Reihe verschaltet sind. So können die Spulen mit gleichem Kupferrunddraht unterschiedlich gewickelt werden, z.B. eine Spule 3-lagig, die benachbarte Spule 4-lagig bzw. mit unterschiedlichen geometrischen Formen.
Der Statorinnenring R kann als Blechpaket bzw. als Wärmeleiter ausgeführt werden. Wird er als ferromagnetischer Leiter ausgeführt, kann dies zur Optimierung der Dicke B₂ bzw. der Gestaltung des magnetischen Rückschlussmittels 35 dienen. Auch ist eine Anpassung der Kontur im Bereich des Wärmeleitelementes 31 möglich, da dieser Bereich nur geringfügig zur Wärmeleitung beträgt.
Es ist insbesondere auch möglich, dass die Statorkerne 1b lediglich mit einem Vorsprung 1h in eine radiale Ausnehmung Ra des Statorinnenrings R eingesetzt werden. In diesem Fall werden die Zwischenelemente 31 keilförmig ausgebildet und werden in radialer Richtung durch die Spulen 5, das Füllmaterial F, etc. in Position gehalten. Durch die Keilform werden wiederum die Statorzähne 1 fest am Statorinnenring R gehalten.
Optional kann bei dem in 3 dargestellten Innenstator S noch ein zusätzlicher Innenring OT vorgesehen werden, der vorzugsweise im Sinne der verbesserten axialen Wärmeleitung aus Aluminium hergestellt ist, dem Innenstator noch mehr Stabilität gibt und optional auch noch Kanäle für eine Wasserkühlung WK aufweisen kann, wobei sich die Kanäle für die Wasserkühlung WK in axialer Richtung durch den Innenstator S erstrecken und einen Wärmepfad WF-B1 bilden, über den die Wärme in axialer Richtung abgeführt wird.
Für die vorbeschriebenen Ausführungsformen gilt, dass die Breite B₁ des Statorzahns 1 sowie die Dicke B₂ der magnetischen Rückschlüsse 25, 35 so dimensioniert sein müssen, dass der magnetische Fluss nicht behindert wird. Für die Flussführung kann anisotropes Material mit unterschiedlicher magnetischer Vorzugsrichtung eingesetzt werden. Sind die U-förmigen Joche 1b, 25 innen mit einem Ring R verbunden, so kann dieser Ring R bzw. Innenbereich auch ein wenig zum magnetischen Fluss beitragen, hat jedoch primär den Zweck zur Erhöhung der Stabilität des Innenstators S und kann sehr dünnwandig ausgebildet werden, so dass B₃ z.B. auch kleiner <3 mm ausgeführt werden kann. Dies hängt selbstverständlich jeweils von der Größe der Drehfeldmaschine ab. Die Untergrenze der Dicke B₃ wird durch ein wirtschaftliches Fertigungsverfahren sowie durch Steifigkeitsanforderungen bestimmt. Wird der Stator S vergossen, sind die Anforderungen an die Festigkeit gering, sodass die Dicke B₃ minimiert werden kann. Wie bereits ausgeführt, können in der freigewordenen Fläche dann sinnvoll Zwischenelemente 21, 31, 31' als Wärmeflussleitelemente mit integrierten Heat-Pipes HP oder Wasserkühlkreise WK bzw. Stifte oder Stoffe mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupfer oder Keramikstifte bzw. Formelemente, Kohlenstoffnanoröhren etc., vorgesehen werden, die sich in axialer Richtung des Stators S erstrecken. Diese Zwischenelemente können, wie bereits beschrieben, zur effizienten axialen Kühlung gewichtsoptimiert eingesetzt werden. Die Anordnung dieser Zwischenelemente 21, 31, 31' erfolgt zudem in einem Bereich, der für die Kupferspulen nicht genutzt werden kann und trägt somit zu einer Wärmeoptimierung des Stators bei.
Der beschriebene Aufbau des Innenstators S kann vor Bewickelung mit den Erregerspulen 5 vorab mit einer Isolation 2 für die Erregerspulen 5 versehen werden, wobei sich zur Isolation 2 insbesondere ein Spritzgussprozess im Thermoplast- oder Duroplastverfahren anbietet. Bei einem derartigen Prozess können die Zwischenelemente 21 vor dem Spritzprozess bereits eingelegt werden, wodurch sich ein optimaler thermischer Übergang zwischen Stator/Spule und Zwischenelement 21, 31 am einfachsten erzielen lässt. Auch ist es möglich, zusätzliche Wärmeleitelemente 28 zwischen Zwischenelement 21, 31 und Erregerspule 5 anzuordnen.
Die 6 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Innenstators S, bei dem die U-förmigen Joche, welche durch die Statorzähne 1 und die sie miteinander verbindenden magnetischen Rückschlüsse 25 gebildet sind, mittels Schwalbenschwanzführungen 1g an dem Innenring R befestigt sind bzw. in axialer Richtung hierzu auf den Ring R in dessen korrespondierenden Ausnehmungen eingeschoben werden. Beispielhaft ist hier dargestellt, dass in einem Zwischenelement 21 auch mehr als eine Heat-Pipe HP angeordnet werden kann, wodurch der Wärmeabtransport in axialer Richtung deutlich erhöht werden kann.
Die 7 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Drehfeldmaschine mit mehreren möglichen Kühlungspfaden WF-B, WF-B1 und WF-C. Der Kühlungspfad WF-B ist durch eine Wasserkühlung WK oder eine Heat-Pipe gebildet und in einem Zwischenelement 21, 31, 31' angeordnet, wie es in den 1 bis 4 dargestellt und beschrieben ist. Der Wärmepfad WF-B1 kann durch eine Wasserkühlung WK gebildet sein, welche sich durch den inneren Ring R, OT des Innenstators S erstreckt, wie es in der 6 dargestellt ist. Zwischen der ECU und dem Innenstator S ist ein Kühlkörper bzw. Wärmetauscher KK angeordnet, der die über die Wasserkühlung bzw. Heat-Pipes abgeführte Wärme an die Umgebung bzw. Wärmesenke abgibt. Ein weiterer Kühlungs- bzw. Wärmeabführungspfad WF-C ergibt sich durch das stirnseitige Anliegen der Vergussmasse V an den Statorträger 13, welcher ebenfalls an dem Kühlkörper KK großflächig anliegt. Der topfförmige Rotor 16 ist vorzugsweise im Tiefziehverfahren hergestellt und an der Welle RW befestigt, welche ihrerseits über die Lager 40 am Statorträger 13 abgestützt ist. Der Rotor weist einen geblechten Außenstator 14 sowie daran angeordnete Permanentmagnete 10 auf. An der Stirnseite der Rotorwelle RW ist ein Sensortarget STA angeordnet, dessen Drehung von einem Sensor SE, welcher im Gehäuse der ECU angeordnet ist, detektiert wird. Die Leistungselektronik 41 ist so an der Gehäusewandung der ECU angeordnet, dass ihre Wärme direkt zum Kühlkörper KK abgeleitet wird. Über den Anschluss 26 und die Leitung 25 sind die Erregerspulen 5 mit der ECU verbunden.
Die 8 zeigt eine Doppeltopfdrehfeldmaschine mit zwei Innenstatoren S mit Standardstatoren ohne Zwischenelemente mit axialer Wärmeabfuhr über den Wärmepfad WF-C am Wickelkopf und WF-B1 im Statorträger mittels der in den 1 und 2 beschriebenen Wärmeleitmittel IW, 22 und 23, sowie zusätzlicher Wasserkühlung WK über die im Statorträger und Stator angeordneten Wasserkanäle. Selbstverständlich können auch die zuvor beschriebenen Heat-Pipes HP bei dieser Drehfeldmaschine verwendet werden. Sowie eine axiale Kühlung über Zwischenelemente im Stator (WF-B).
Zudem sind zwei Alternativen der Wickelkopfkühlung dargestellt. Der linke Stator wird an der Stirnseite nur über einen geringen Abstand zum Statorträger 13 sowie Verguss gelöst, während auf dem rechten Stator die Wärmeleitmittel IW sowie optional die nicht gezeichneten Varianten der Wärmeleitmittel 22 und 23 eingesetzt werden.
Die Wärmeabfuhr des Stators erfolgt somit fast ausschließlich axial an die linke und rechte Stirnseite. Für einen optimierten Wärmehaushalt wird die ECU oberhalb und parallel zum E-Motor eingesetzt. Dadurch ergibt sich eine optimale Wärmeverteilung, weil die ECU nicht durch den Stator erwärmt wird und somit als Wärmesenke der ECU das Gehäuse (G) des Motors sowie der Außenbereich genutzt werden kann.
Der Rotor 16 dieser Doppeltopfdrehmaschine besteht aus 2 ferromagnetischen Tiefziehteilen 16, einem mit der Welle verbundenen Mitnehmer 44, mit dem die Tiefziehteile vorzugsweise über Schweißverbindungen verbunden sind. Die Welle wird über 2 weit auseinander stehende Lagerungen in den Statorträgern 13 abgestützt, wodurch der Stator sehr steif wird und mit hoher Drehzahl belastet werden kann. An der Innenseite der Rotoren 16 sind gestückelte Permanentmagnete angebracht. Die Stückelung wird eingesetzt, um die Magnetverluste zu minimieren. Der Rotor ist zudem mit einem Glas- oder Kohlefaserband bandagiert und somit für hohe Belastungen ausgelegt.
Der Rückschluss des Magnetkreises erfolgt über ein im Gehäuse G befestigtes Statorrückschlußpaket 42. Damit weist der Rotor 2 Luftspalte auf. Dieser doppelte Luftspalt führt zwar zu einer Verschlechterung des Magnetkreises, wirkt sich jedoch entlastend auf den Rotor aus, da der Rotor nicht nur einseitig vom Stator radial mit Kraft F_Ri belastet ist, sondern auch einen Kraftvektor F_Ra in Richtung Rückschlussblechpaket hat. Damit kann die auf den Rotor wirkende Radialkraft reduziert werden und auch ein dünnwandiger Rotor mit sehr hohen Drehzahlen belastet werden. Die durch die Drehzahl wirkende Fliehkraft kann gut bilanziert werden, so dass im Auslegungspunkt der Nominalleistung die Radialbelastung des Rotors optimiert wird. Zudem unterstützt eine Bandage des Rotors aus einem hochbelastbarem dünnwandigen Glas- Kohlefaserband bei Maximalleistung, d.h. sehr hohen Drehzahlen, wo wiederum die Fliehkräfte dominieren. Somit kann über das gesamte Lastkollektiv (Nominalleistung, Maximalleistung) der Motor sehr stabil ausgelegt werden.
Im Vergleich zur Ausführung in 7 erfährt der Außenläufermotor auch keine einseitige Belastung und ist wesentlich steifer und somit geeignet als Leistungsmotor mit sehr hohen Drehzahlen, insbesondere als Traktionsmotor von Elektroautos mit sehr hoher Leistung.
Zusätzlich weist jeder Stator eine 3-Phasen oder 6-Phasen-Kontaktierung auf. Eine 6-Phasenkontaktierung besteht aus jeweils zwei Phasensträngen. Damit kann eine zweifache Redundanz erzielt werden, weil bei Ausfall von 3-Phasen einer Seite noch das halbe Drehmoment zur Verfügung steht. Bei einer 2x 6-Phasen-Gestaltung ist bei Ausfall von einem 3-Phasen-Strang noch ca. 75% des Drehmomentes zur Verfügung. Dies erfüllt die Anforderungen von autonomen Fahrzeugen mit nur einem elektrischen Antriebsmotor.
Die 9 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Außenstator mit axialem Wärmeleitmittel. Auch bei dieser Ausführungsform können die Wärmeleitmittel, wie sie in den 1 und 2 dargestellt und beschrieben sind, zusätzlich eingesetzt werden. Der in 9 dargestellte Außenjochstator S weist Statorzähne 1 auf, wobei jeweils zwei benachbarte Statorzähne 1 jeweils eine Zahngruppe ZG_i bilden. Ein Zahngruppe ZG ist dabei im Querschnitt im Wesentlichen U-förmig, wobei die einzelnen Zahngruppen ZG_i mittels Zwischenelemente 11 auf Abstand bzw. zueinander in Position gehalten und/oder miteinander verbunden sein können bzw. sind.
Die Zwischenelemente 11 haben die Aufgabe, die Kühlleistung zu erhöhen und sind somit vorteilhafterweise aus einem Material mit gutem thermischen Leitwert. Ist das Zwischenelement 11 aus einem elektrisch leitfähigen Material, so muss es hin zur Spule 5 noch separat isoliert werden, was z.B. mittels des Elementes 12b erfolgen kann. Durch das Zwischenelement 11 kann zudem das Gewicht reduziert werden. Auch kann die Wärmeleitung direkt von der Spule 5 hin zum Zwischenelement 11 erfolgen, sofern das Element 12b eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Vorteil dieser Zwischenelemente 11 ist, dass hier ein Material mit wesentlich günstigeren thermischen Leitwerten eingesetzt werden kann, als das sich im Standardfall dort befindliche Statorblech. Es ergeben sich somit weitere parallele Wärmepfade S und ST, statt lediglich von Spule 5 hin zum Statorzahn 1 und von dort aus zum Gehäuse der Drehfeldmaschine.
Jeder Statorzahn 1 steht dabei aus dem Polkern 1b und dem angeformten Polschuh 1a, wobei die Statorzähne 1 einer Zahngruppe ZG_i mittels des magnetischen Rückschlussmittels 15 miteinander verbunden sind. Die Statorzähne 1 einer Zahngruppe können dabei durch U-förmige Statorbleche gebildet sein. Die Spulen 5 sind mittels geeigneter Isolation 2, 12a von den Statorzähnen 1 elektrisch isoliert, wobei die Isolation 2 bzw. die Wärmeleitmittel 12a zum Wärmeabtransport von den Spulen in Richtung Statorzahn 1 dienen können.
Die Statorzähne 1 und magnetischen Rückschlüsse 15 sind aus einem ersten, insbesondere ferromagnetischen Material MA1 gefertigt. Die Zwischenelemente 11 sind aus einem zweiten anderen Material MA2 gefertigt, welches insbesondere leichter und/oder einen besseren Leitwert als das erste Material MA1 aufweist. Die Statorzähne einer Zahngruppe bilden zusammen mit ihrem magnetischen Rückschlusselement 15 ein U-förmiges Joch, welches einen Teil des Magnetkreises MF bildet.
Der Innenrotor 9 ist beispielhaft mit Permanentmagneten 10 bestückt.
Die Zwischenelemente 11 können optional Kanäle für einen Wasserkühlkreislauf WK bilden oder mit integrierten Heat-Pipes HP ausgestattet sein. Die Heat-Pipes HP können auch durch sehr gut wärmeleitende Formelemente, z.B. Kupferstifte, gebildet sein. Durch diese Stifte wird insbesondere die axiale Wärmeleitung optimiert, was in der Ausgestaltung eines Innenläufermotors vorteilhaft zur Wärmeaufteilung genutzt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2179488 B1 [0004]
WO 2010/099974 [0007]
WO 2010/099975 [0008, 0009]

Claims

Stator (S) einer Drehfeldmaschine, wobei der Stator (S) mehrere Erregerwicklungen (5) trägt und mindestens ein Wärmeleitmittel (22, 23, WI) zur Wärmeabfuhr in axialer Richtung vorgesehen ist, wobei das Wärmeleitmittel (22, 23, WI) an der Stirnseite (5s) mindestens einer Erregerwicklung (5) oder an einer die Erregerwicklung (5) umgebenden Vergussmasse (V) oder Isolierung anliegt und zudem mit einer Wärmesenke (13a, 13f), insbesondere in Form des Statorträgers (13), Kühlkörpers (KK) und/oder Gehäuses (G), zum Abtransport der Wärme in Verbindung ist.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmittel (23, WI) mittels einer Feder (19, 21) gegen die Erregerwicklung (5) kraftbeaufschlagt ist, wobei sich die Feder an dem Statorträger (13), Kühlkörper (KK) oder Gehäuse (G) abstützt.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmittel (23) mittels eines Schraubgewindes (23a) an die Erregerspule (5) anpressbar ist, insbesondere in eine Bohrung mit Innengewinde (13c) des Statorträgers (13), Kühlkörpers (KK) oder Gehäuses (G) einschraubbar ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Statorzähnen (1, 1a, 1b) des Stators Zwischenelemente (11, 21, 31, 31') angeordnet sind, insbesondere diese miteinander verbinden, die sich in axialer Richtung (AX) des Stators (S) entlang der Statorzähne (1) erstrecken, wobei die Zwischenelemente (11, 21, 31, 31') aus einem anderen Material (MA2) als die Statorzähne (1, 1a, 1b) gefertigt sind.
Stator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (MA2) der Zwischenelemente (11, 21, 31, 31') eine Wärmeleitfähigkeit λ2 von größer 100 W/mK, insbesondere größer 200 W/mK, aufweist, insbesondere Aluminium oder Magnesium oder eine Legierung davon ist.
Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (S) als Innenstator oder Außenstator ausgebildet ist und eine Anzahl von N Statorzähnen (1) aufweist, die zusammen eine Anzahl von N/2 Zahngruppen (ZG_i=1..,N/2) bilden, und jeder Statorzahn (1) jeweils einen Polkern (1b) und einen daran angeformten Polschuh (1a) aufweist, wobei die Polkerne (1b) aus dem ersten Material (MA1) gefertigt sind, und dass jeweils eine Zahngruppe (ZG_i) von zwei unmittelbar benachbart angeordneten Statorzähnen (1) gebildet ist, die zusammen mit einem magnetischen Rückschlussmittel (15, 25, 35) Bestandteil eines Magnetkreises (MF_i) sind, wobei zwischen zwei benachbarten Statorzähnen (1) zweier benachbarter Zahngruppen (ZG) jeweils mindestens ein Zwischenelement (11, 21, 31, 31') angeordnet ist.
Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Erregerspule (5) und Statorzahn (1) mindestens ein Wärmeleitelement (12a, 12b) angeordnet ist, welches insbesondere mit dem Zwischenelement (11, 21, 31) in Kontakt ist und das Wärmeleitelement vorzugsweise Kunststoff, Aluminiumoxid- oder -nitridkeramik oder Siliciumcarbid bzw. Bor-Nitrid ist bzw. aufweist und/oder eine Wärmeleitfähigkeit λ > 5 W/mK hat.
Stator (S) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmittel (12a, 12b), insbesondere zur radialen Wärmeabfuhr von der Erregerspule bei einem Innenläufer nach außen und bei einem Außenläufer radial nach innen, zum wärmeabführenden Zwischenelement (21, 31), ein sich in axialer Richtung (AX) des Stators (S) erstreckender, insbesondere plattenförmiger Kühlkörper mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 5 W/mK ist und das Wärmeleitelement vorzugsweise Kunststoff, Aluminiumoxid- oder -nitridkeramik oder Siliciumcarbid bzw. Bor-Nitrid ist bzw. aufweist und/oder eine Wärmeleitfähigkeit λ > 5 W/mK hat.
Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Zwischenelement (11, 21, 31) mindestens ein Wärmeleitmittel (WK, HP), insbesondere in Form eines Wasserkanals einer Fluid- oder Wasserkühlung (WK) oder einer Heat-Pipe (HP), angeordnet ist, welches sich in axialer Richtung des Stators (S) erstreckt und zum Abtransport von Wärme in axialer Richtung dient, insbesondere mit einem Kühlkörper (KK) in Kontakt ist, insbesondere bei Einsatz einer Heat-Pipe ein klassisches Wärmerohr mit einem hermetisch gekapselten Volumen, das mit einem Arbeitsmedium, insbesondere mit Wasser oder Ammoniak gefüllt ist, angeordnet wird.
Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den Wicklungen (5) in den Wicklungsnuten (WN) mittels einer zusätzlichen Vergussmasse (F), insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,25 W/mK, vergossen ist, insbesondere derart, dass keine Lufteinschlüsse mehr zwischen den Spulendrähten der Wicklungen (5) vorhanden sind.
Stator (S) eines Außenläufermotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Statorträger (13) mindestens ein, sich insbesondere in axialer Richtung parallel zu den Statorzähnen (1) erstreckender Kanal für eine Wasserkühlung (WK) und/oder Heat-Pipe (HP) angeordnet ist.
Drehfeldmaschine mit mindestens einem Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine zwei Statoren (S) und einen Außenläuferrotor aufweist, wobei der Außenläuferrotor mindestens ein sich radial zwischen den beiden Statoren (S) erstreckendes Verbindungsmittel (14a) aufweist, welches direkt oder indirekt über ein oder mehrere Teile (44, 14a), insbesondere über Kragen (16), mit der Welle (RW) drehfest verbunden ist, wobei an dem Verbindungsmittel (14a) mindestens eine zylinderförmige Wandung (14) angeformt oder befestigt ist, welche an ihrer Innenseite Permanentmagnete (10) trägt.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel des Rotors (14,14a) im Tiefziehverfahren hergestellt ist und insbesondere aus einem ferromagnetischen Material und dünnwandig, vorzugsweise dünner als 3 mm, ist.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenläuferrotor von einem radial außenliegenden, insbesondere geblechtem, magnetischen Rückschlussmittel (42) umfasst ist, wobei sowohl zwischen den Polschuhen (1a) und den Permanentmagneten (10) des Außenläuferrotors als auch zwischen dem Außenläuferrotor und dem magnetischen Rückschlussmittel (42) ein Luftspalt ist.
Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspulen (5) jedes Stators (S) der Drehfeldmaschine über einen oder zwei 3-Phasen-Anschlüsse (43) mit jeweils einer Leistungselektronikschaltung (LH) in Verbindung sind, sodass insbesondere bei Ausfall einer Leistungselektronikschaltung (LH) oder einer Spule noch ein Drehmoment, insbesondere 50% bzw. 75% des maximalen Drehmomentes, zur Verfügung steht.
Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorträger (13) unmittelbar oder über ein Zwischenteil an einem Gehäuse (G) der Drehfeldmaschine angeordnet oder befestigt ist, insbesondere ein Kühlkörper (KK) am Statorträger (13) angeordnet ist.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhr vom Stator (S) zum Kühlkörper (KK) oder Gehäuse (G) über die Zwischenelemente (11, 21, 31, 31') und/oder die Wasserkühlung (WK) und/oder Heat-Pipes (HP) erfolgt.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine ein Elektronikmodul (ECU) aufweist, wobei Komponenten des Elektronikmoduls (ECU) oder das Elektronikmodul (ECU) selbst mit dem Kühlkörper (KK) zum Wärmeabtransport in Verbindung ist, insbesondere der Kühlkörper (KK) zwischen dem Elektronikmodul (ECU) und dem Stator (S) bzw. dem Statorträger (13) angeordnet ist.