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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine als Innenläufer, vorzugsweise zur Verwendung in Kraftfahrzeugen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors.
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Elektromotoren in Kraftfahrzeugen weisen üblicherweise einen Stator und einen Rotor auf. Der Stator verfügt dabei über ein Statorblechpaket, welches im Wesentlichen aus nebeneinander angeordneten Statorblechen von gleicher Geometrie besteht. Das Statorblechpaket verringert Wirbelstromverluste durch in Nuten des Statorblechpakets eingelegte elektrische Leiter.
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Die elektrischen Leiter müssen gegenüber dem Statorblechpaket isoliert sein. Dies geschieht gemäß dem Stand der Technik über das Herstellen einer elektrisch isolierenden Schicht in den Nuten zwischen den elektrischen Leitern und dem Statorblechpaket.
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Gerade bei hochperformanten Elektromotoren muss von den elektrischen Leitern, dem Statorblechpaket und insbesondere auch von den Wickelköpfen der elektrischen Leiter Abwärme abgeführt werden. Das Abführen der Abwärme geschieht meist über eine Kühlung mit einer Kühlflüssigkeit. Dazu existieren verschiedene Konzepte. Ein Konzept sieht vor, dass die Wickelköpfe direkt gekühlt werden. Eine Kühlung der Teile der elektrischen Leiter in den Nuten und eine Kühlung des Statorblechpakets gelingen dabei dadurch, dass die Wärme dieser Teile durch die elektrischen Leiter zu den Wickelköpfen hin geleitet wird. Ein weiteres Konzept sieht vor, das Kühlmittel durch die Nuten des Statorblechpakets zu leiten und alle zu kühlenden Teile direkt mit dem Kühlmittel umspülen zu lassen. Dabei ergeben sich allerdings deutliche Nachteile. Die elektrischen Leiter liegen gemäß des Standes der Technik ohne äußere Fixierung in den Nuten. Durch Relativbewegungen, beispielsweise verursacht durch das strömende Kühlmittel, können sie sich gegenseitig oder die isolierende Schicht in den Nuten beschädigen. Ferner ist die Strömungsgeometrie innerhalb der Nuten undefiniert und es entstehen Totwassergebiete in denen das Kühlmittel nicht strömt sondern steht, die Leiter werden unter Umständen nicht vollständig benetzt und der Druckverlust beim Pumpen des Kühlmittels wird erhöht. Ebenso kann eine gleichmäßige Durchströmung bei hohen Füllfaktoren der Nuten nicht garantiert werden. Weiterhin bilden die isolierende Schicht in den Nuten und isolierende Schichten um die elektrischen Leiter nicht nur elektrische Isolationen, sondern dämmen das Statorblechpaket beziehungsweise die elektrischen Leiter auch thermisch und reduzieren so die Kühlung besagter Teile.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor bereitzustellen der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern eine definierte Strömungsgeometrie innerhalb der Nuten bietet und ohne eine elektrische Isolierung der Nuten auskommt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor aufweisend einen Stator, wobei der Stator ein Statorblechpaket und elektrische Leiter aufweist, wobei das Statorblechpaket eine Mehrzahl von Statorblechen aufweist, wobei das Statorblechpaket axiale Nuten aufweist, wobei das Statorblechpaket eine Mehrzahl von Positionierscheiben aufweist, wobei die Positionierscheiben Durchführungen aufweisen, wobei die elektrischen Leiter in den Nuten durch die Durchführungen durchgeführt angeordnet sind und wobei die Durchführungen Positionierbereiche zum Positionieren der elektrischen Leiter aufweisen.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor ermöglicht ein Fixieren der elektrischen Leiter durch die Positionierbereiche der Positionierscheiben innerhalb der Nuten des Statorblechpaketes. Damit sind die elektrischen Leiter mit einer definierten Strömungsgeometrie innerhalb der Nuten positionierbar.
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Die Statorbleche sind parallel zueinander angeordnet. Die Positionierscheiben sind den Statorblechen ähnlich geformt, weisen jedoch an den Stellen, die bei den Statorblechen die Nuten des Statorblechpakets bilden, Durchführungen auf. Denkbar ist, dass die Durchführungen eine ähnliche Geometrie aufweisen, wie die Stellen, die bei den Statorblechen die Nuten des Statorblechpakets bilden. Erfindungsgemäß sind die Flächen der Durchführungen jedoch geringer, da die Durchführungen Positionierbereiche zum Positionieren, also zum Fixieren, der elektrischen Leiter aufweisen.
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Denkbar ist, dass die Positionierscheiben die gleiche Außengeometrie aufweisen wie die Statorbleche. Weiterhin ist denkbar, dass die Durchführungen in radialer Richtung zum geometrischen Mittelpunkt der Positionierscheiben hin geöffnet sind. Denkbar ist aber auch, dass die Durchführungen in radialer Richtung zum geometrischen Mittelpunkt der Positionierscheiben hin geschlossen sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrischen Leiter durch die Durchführungen vom Statorblechpaket beabstandet sind. Dies ermöglicht, auf eine elektrisch isolierende Schicht zwischen elektrischen Leitern und Statorblechpaket zu verzichten, was den Fertigungsaufwand reduziert und die Kühlung verbessert. Dazu ist die Fläche durch die ein elektrischer Leiter durch eine Durchführung geführt werden kann geringer als die Querschnittsfläche einer Nut parallel zur Haupterstreckungsebene der Positionierscheibe, so dass im Bereich der Positionierscheiben im Statorblechpaket in den Nuten Ränder der Durchführungen auskragen. Diese Auskragungen beabstanden die elektrischen Leiter von dem Statorblechpaket.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrischen Leiter durch die Positionierbereiche voneinander beabstandet sind. Dies ermöglicht es, auf eine elektrisch isolierende Schicht auf den elektrischen Leitern zu verzichten. Denkbar ist, dass die Positionierbereiche jeweils zur Aufnahme eines elektrischen Leiters vorgesehen sind.
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Vorzugsweise sind dazu die Positionierbereiche jeweils zum zumindest teilweisen Umfassen jeweils eines elektrischen Leiters geformt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Form der Positionierbereiche parallel zur Haupterstreckungsebene der Positionierscheibe zumindest in Teilen dem Querschnitt des elektrischen Leiters orthogonal zu seiner Haupterstreckungsrichtung entspricht. Bereiche der Durchführung, welche keine Positionierbereiche sind, sind dabei so geformt, dass ein elektrischer Leiter nicht durch diese hindurchgeführt werden kann.
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Denkbar ist, dass unterschiedliche elektrische Leiter mit jeweils unterschiedlichen Querschnitten orthogonal zu ihrer Haupterstreckungsrichtung durch die Durchführungen geführt werden und dabei von unterschiedlichen Positionierbereichen mit jeweils unterschiedlichen und zu den jeweiligen unterschiedlichen Querschnitten der elektrischen Leiter passenden Formen parallel zur Haupterstreckungsebene der Positionierscheibe positioniert sind. Denkbar ist beispielsweise, dass elektrische Leiter mit größeren Querschnitten von größeren Positionierbereichen positioniert sind und dass elektrische Leiter mit kleineren Querschnitten von kleineren Positionierbereichen positioniert sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Positionierscheiben aus einem Keramikwerkstoff gefertigt sind. Entsprechende Keramikwerkstoffe sind robust und exzellente Isolatoren sowie wärmebeständig.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Positionierscheiben aus einem Kunststoff gefertigt sind. Entsprechende Kunststoffe sind robust und exzellente Isolatoren. Weiterhin weisen Kunststoffe im Allgemeinen eine weniger hohe Verschleißbeständigkeit als Keramikwerkstoffe auf, was bei der Verwendung von Kunststoffen statt Keramikwerkstoffen bei der Herstellung der Positionierscheiben im Betrieb des Elektromotors auf lange Zeit zu weniger Verschleiß an den elektrischen Leitern führt.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Positionierscheiben aus Blech gefertigt sind, wobei die Positionierbereiche Isolierbereiche aufweisen. Denkbar ist, dass die Isolierbereiche aus einem Keramikwerkstoff hergestellt sind. Die Isolierbereiche isolieren die elektrischen Leiter gegenseitig und gegen das Statorblechpaket.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jeweils eine Positionierscheibe an den axialen Enden des Statorblechpakets angeordnet ist. Dies ermöglicht das exakt positionierte Einführen der elektrischen Leiter in die Nuten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Positionierscheiben in regelmäßigen Abständen zwischen den Statorblechen angeordnet sind. Die Positionierbereiche der Durchführungen der Positionierscheiben bieten so Abstützpunkte für die elektrischen Leiter in regelmäßigen Abständen in den Nuten. Der Abstand zwischen den einzelnen Positionierscheiben ist dabei beispielsweise von der Steifigkeit der elektrischen Leiter abhängig.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektromotor eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Kühlflüssigkeit aufweist. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Flüssigkeitskühlung des Elektromotors. Denkbar ist, dass der Elektromotor dazu einen Wärmetauscher aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektromotor einen Kühlflüssigkeitskreislauf aufweist, wobei die Nuten ein Teil des Kühlflüssigkeitskreislaufs sind. Dies ermöglicht die direkte Kühlung der elektrischen Leiter und des Statorblechpakets. Denkbar ist, dass der Elektromotor dazu mindestens eine Kühlmittelpumpe aufweist. Denkbar ist, dass die Durchführungen zwischen den Positionierbereichen, also auch zwischen den elektrischen Leitern, in den Nuten in axialer Richtung Freiräume zum Durchströmen des Stators mit Kühlflüssigkeit aufweisen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektromotor eine Hülse zur Abdichtung des Stators gegen einen Rotorraum aufweist. Dies ermöglicht dass kein Kühlmittel aus dem Stator gelangt, insbesondere dass kein Kühlmittel in den Rotorbereich gelangt, was zu deutlichen Reibungsverlusten zwischen Rotor und Stator führen würde.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors, wobei in Nuten eines Statorblechpakets angeordnete elektrische Leiter eines Stators von elektrischem Strom durchflossen werden, wobei die elektrischen Leiter von Positionierbereichen von Positionierscheiben in ihrer jeweiligen Position gehalten werden und wobei die elektrischen Leiter durch die Positionierbereiche von dem Statorblechpaket und voneinander beabstandet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine effektive Kühlung von elektrischen Leitern und Statorblechpaket dadurch, dass auf eine Isolierung der Nuten und der elektrischen Leiter verzichtet werden kann. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, dass die elektrischen Leiter mechanisch fixiert sind und so keine Beschädigungen an diesen oder am Statorblechpaket durch Bewegungen der elektrischen Leiter entstehen.
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Denkbar ist, dass der Elektromotor ein Elektromotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Kühlung der elektrischen Leiter und des Statorblechpakets ein Kühlmittel durch die Nuten geleitet wird. Dies ermöglicht die direkte Kühlung der elektrischen Leiter und des Statorblechpakets. Denkbar ist, dass dazu das Kühlmittel durch Freiräume geleitet wird, welche durch die Beabstandung der elektrischen Leiter untereinander bereitgestellt werden.
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Denkbar ist, dass dazu das Kühlmittel mit einem Wärmetauscher abgekühlt wird. Denkbar ist weiterhin, dass das Kühlmittel in einem Kreislauf von mindestens einer Pumpe durch den Elektromotor gepumpt wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors, wobei zur Herstellung des Stators Statorbleche zu einem Statorblechpaket zusammengefügt werden, wobei zwischen den Statorblechen Positionierscheiben angeordnet werden, wobei elektrische Leiter in Nuten des Statorblechpakets durch Durchführungen der Positionierscheiben angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter in Positionierbereiche der Positionierscheiben geschoben werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, auf eine aufwändige elektrische Isolierung der Nuten und der elektrischen Leiter zu verzichten und eine definierte Strömungsgeometrie in den Nuten des Statorblechpakets herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht weiterhin auch, dass auf eine Nutgrundisolation verzichtet wird, die Leiter jedoch mit einer im Verhältnis zum Stand der Technik abgeschwächten elektrischen Isolierung versehen werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 (a) und 1 (b) illustrieren schematisch die Positionierscheibe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 (a) und 2 (b) illustrieren schematisch die Positionierscheibe gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch einen Ausschnitt der Positionierscheibe gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in axialer Richtung.
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In den 1 (a) und 1 (b) sind schematisch das Statorblech 2 und die Positionierscheibe 3 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. 1 (a) zeigt das Statorblech 2. Radiale Zähne 2a und radiale Zwischenräume 2b zwischen den Zähnen 2a bilden beim Zusammenfügen der Statorbleche 2 zu einem Statorblechpaket die Nuten des Statorblechpakets. 1 (b) zeigt einen Ausschnitt der Positionierscheibe 3. Die geometrische Form der Positionierscheibe 3 entspricht größtenteils der geometrischen Form des Statorblechs 2, hier dargestellt als Umriss des Statorblechs 2'. Die Positionierscheibe 3 ist aus einem Kunststoff hergestellt. Die Durchführungen 4 der Positionierscheibe 3 sind relativ zu den Zwischenräumen 2b des Statorblechs 2 zentriert angeordnet. Die Ausdehnungen der Durchführungen 4 sind geringer als die Ausdehnungen der Zwischenräume 2b, so dass Teile der Positionierscheibe 3 in die Nuten des Statorblechpakets auskragen. Die Auskragungen der Positionierscheibe 3 bilden den Positionierbereich 4', welcher die elektrischen Leiter 1 (nicht gezeigt) gegenüber dem Statorblechpaket beabstandet. Zum Zentrum der Positionierscheibe 3 hin sind die Durchführungen 4 geschlossen. Denkbar ist aber auch, dass die Durchführungen 4 zum Zentrum der Positionierscheibe 3 hin geöffnet sind.
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In den 2 (a) und 2 (b) sind schematisch das Statorblech 2 und die Positionierscheibe 3 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. 2 (a) zeigt das Statorblech 2. 1 (b) zeigt wieder einen Ausschnitt der Positionierscheibe 3. Die geometrische Form der Positionierscheibe 3 entspricht größtenteils der geometrischen Form des Statorblechs 2, hier dargestellt als Umriss des Statorblechs 2'. Im Bereich der Durchführungen 4 ist die Positionierscheibe 3 so gestaltet, dass die Positionierbereiche 4' an den Querschnitt der elektrischen Leiter 1 (hier nur in der mittleren Durchführung 4 dargestellt) angepasst sind. Dies ermöglicht zum einen die Beabstandung der elektrischen Leiter 1 untereinander und zum anderen eine definierte Strömungsgeometrie in den Nuten und die Möglichkeit des Kühlmitteldurchflusses zwischen den elektrischen Leitern 1.
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In 3 ist schematisch ein Ausschnitt der Positionierscheibe gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in axialer Richtung dargestellt. Gezeigt sind in Ausschnitten das Statorblechpaket 2 und die Positionierscheibe 3.
