DE102018129983A1

DE102018129983A1 - Stator mit einem Kühlmantel, elektrische Maschine sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018129983A1
Application number: DE102018129983.4A
Authority: DE
Inventors: Joachim März; Jerome Ragot; Thomas Hoefler; Felix Bolotnikov
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-05-28
Also published as: CN111971877A; CN111971877B; WO2020108876A1; US20200412183A1; US11817744B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs aufweisend ein Blechpaket (2) mit einer Wicklungsnuten (6) aufweisenden Innenseite (4) und mit einer Außenseite (5), Wicklungen (9), welche in den Wicklungsnuten (6) angeordnet sind und an axial gegenüberliegenden Stirnseiten (7, 8) des Blechpakets (2) Wickelköpfe (10) ausbilden, und einen Kühlfluid leitenden Kühlmantel (11) mit einem ersten Blech (12), welches eine dem Blechpaket (2) zugewandte Innenwandung des Kühlmantels (11) ausbildet, und einem zweiten Blech (13), welches eine die Innenwandung umgebende Außenwandung des Kühlmantels (11) ausbildet, wobei eine axiale Höhe (19) des Kühlmantels (11) eine axiale Höhe (18) des Blechpakets (2) überschreitet, und der Kühlmantel (11) einen Blechpaket-Kühlmantelbereich (21) zum Ummanteln des Blechpakets (2) und zwei axial gegenüberliegende, an den Blechpaket-Kühlmantelbereich (21) angrenzende Wickelkopf-Kühlmantelbereiche (22) zum Ummanteln der Wickelköpfe (10) aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs aufweisend ein Blechpaket mit einer einem Hohlraum zugewandten Innenseite, welche in Umfangsrichtung axial erstreckende Wicklungsnuten aufweist, und mit einer Außenseite. Der Stator weist außerdem Wicklungen auf, welche in den Wicklungsnuten angeordnet sind und an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets Wickelköpfe ausbilden. Ferner weist der Stator einen Kühlfluid leitenden Kühlmantel mit einem ersten Blech, welches eine dem Blechpaket zugewandte Innenwandung des Kühlmantels ausbildet, und einem zweiten Blech auf, welches eine die Innenwandung umgebende Außenwandung des Kühlmantels ausbildet, wobei eines der Bleche strukturlos ausgebildet ist und das jeweils andere Blech mit Vertiefungen und Erhebungen strukturiert ist, wobei die Bleche im Bereich der Vertiefungen zusammengefügt sind und im Bereich der Erhebungen zumindest einen das Kühlfluid führenden Kühlkanal ausbilden. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen für Kraftfahrzeuge, insbesondere elektrische Antriebsmaschinen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Diese Maschinen weisen einen Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Stator weist üblicherweise ein hohlzylinderförmiges Blechpaket auf, an dessen Innenseite Wicklungsnuten mit Wicklungen angeordnet sind. Die Wicklungen bilden an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets Wickelköpfe aus. Im Betrieb der elektrischen Maschine erhitzt sich die elektrische Maschine, wodurch sich deren Leistung verringern kann. Eine Überhitzung der elektrischen Maschine kann sogar zum Ausfall der elektrischen Maschine führen.
Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den Stator der elektrischen Maschine zu kühlen. Dazu beschreibt die DE 10 2007 055 910 A1 einen Kühlmantel zur Anlage an einen Stator einer elektrischen Maschine. Der Kühlmantel weist eine Innenwandung und eine Außenwandung auf. Dabei ist die Innenwandung mit einer glatten oder weitgehend geglätteten Außenseite zur satten Anlage an den Stator ausgebildet ist. Die Innenwandung und die Außenwandung sind über einzelne Fügestellen und/oder längliche Fügeabschnitte dauerhaft verbunden, wobei zwischen den Fügestellen und/oder länglichen Fügeabschnitten Durchgänge für das Kühlmedium verbleiben.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Kühlmantel gemäß dem Stand der Technik hinsichtlich seiner Kühlleistung sowie seines Herstellungsverfahrens weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stator, eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßer Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs umfasst ein Blechpaket mit einer einem Hohlraum zugewandten Innenseite, welche in Umfangsrichtung axial erstreckende Wicklungsnuten aufweist, und mit einer Außenseite. Der Stator weist außerdem Wicklungen auf, welche in den Wicklungsnuten angeordnet sind und an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets Wickelköpfe ausbilden. Ferner weist der Stator einen Kühlfluid leitenden Kühlmantel mit einem ersten Blech, welches eine der Außenseite des Blechpakets zugewandte Innenwandung des Kühlmantels ausbildet, und einem zweiten Blech auf, welches eine die Innenwandung umgebende Außenwandung des Kühlmantels ausbildet, wobei eines der Bleche strukturlos ausgebildet ist und das jeweils andere Blech mit Vertiefungen und Erhebungen strukturiert ist. Die Bleche sind im Bereich der Vertiefungen zusammengefügt und bilden im Bereich der Erhebungen zumindest einen das Kühlfluid führenden Kühlkanal aus. Darüber hinaus überschreitet eine axiale Höhe des Kühlmantels eine axiale Höhe des Blechpakets. Der Kühlmantel weist somit einen Blechpaket-Kühlmantelbereich zum Ummanteln und Kühlen des Blechpakets und zwei axial gegenüberliegende, an den Blechpaket-Kühlmantelbereich angrenzende Wickelkopf-Kühlmantelbereiche zum Ummanteln und Kühlen der Wickelköpfe auf.
Zur Erfindung gehört außerdem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Stator und einem Rotor, welcher in dem Hohlraum des Blechpakets des Stators drehbar gelagert ist. Die elektrische Maschine ist somit als eine Innenläufer-Maschine ausgebildet und kann als Traktionsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
Der Stator weist das Blechpaket sowie die elektrischen Wicklungen auf. Das Blechpaket weist dabei zwei axial gegenüberliegende Stirnseiten auf. Das Blechpaket kann beispielsweise hohlzylinderförmig sein und ringförmige Stirnseiten aufweisen. In dem durch das Blechpaket umschlossenen, zylinderförmigen Hohlraum kann der Rotor der elektrischen Maschine drehbar gelagert werden, wobei eine Rotationsachse des Rotors einer Längsachse des Blechpaktes entspricht. Das Blechpaket weist dabei an der dem Hohlraum zugewandten Innenseite die Wicklungsnuten bzw. Statornuten zum Aufnehmen der Wicklungen auf. Insbesondere sind die Wicklungsnuten in Umfangsrichtung äquidistant zueinander und über einen gesamten Innenumfang der Innenseite des Blechpakets verteilt angeordnet. Sie erstrecken sich in axialer Richtung von der ersten Stirnseite des Blechpakets bis zu der gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Blechpakets. In axialer Richtung, also entlang der Rotationsachse, ragen die in den Wicklungsnuten angeordneten Wicklungen an den Stirnseiten über das Blechpaket hinaus und bilden dort jeweils einen ringförmigen Wickelkopf aus. Die Wicklungen des Stators können beispielsweise als Formstabwicklungen oder Runddrahtwicklungen ausgebildet sein.
Der Kühlmantel, welcher an der Außenseite des Blechpakets angeordnet wird, kann mit einem das Kühlfluid bereitstellenden Kühlkreislauf der elektrischen Maschine gekoppelt werden und ist somit zum Kühlen des Stators im Betrieb der elektrischen Maschine ausgebildet. Der Kühlmantel ist als ein bereichsweise doppelwandiger Hohlkörper, beispielsweise als ein doppelwandiger Hohlzylinder, ausgebildet und weist die zwei konzentrisch angeordneten, im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Bleche auf. Eines der Bleche ist dabei strukturlos mit einer glatten Oberfläche ausgebildet. Beispielsweise kann das die Innenwandung ausbildende Blech strukturlos ausgebildet sein. So kann der Kühlmantel über die glatte Innenwandung vollflächig an die glatte Außenseite des Blechpakets angelegt werden. Es kann aber auch das die Außenwandung ausbildende Blech strukturlos ausgebildet sein. So kann das die Wicklung tragende Blechpaket über den Kühlmantel besonders gut in einem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt, beispielsweise verpresst, werden.
Das jeweils andere Blech weist eine Struktur auf, durch welche eine Form bzw. ein Verlauf des zumindest einen Kühlkanals definiert wird. Dazu weist das strukturierte bzw. strukturbehaftete Blech die Vertiefungen bzw. Einprägungen auf, welche in Richtung des strukturlosen Blechs ragen und an dem strukturlosen Blech anliegen. In Bereichen dieser Vertiefungen sind die zwei Bleche dauerhaft miteinander gefügt bzw. verbunden. Außerdem weist das strukturbehaftete Blech die Erhebungen bzw. Ausprägungen auf, welche entgegen der Richtung des strukturlosen Blechs ragen. In diesen Bereichen sind die zwei miteinander verbundenen Bleche beabstandet angeordnet und bilden somit eine Kavität bzw. einen Hohlraum zwischen sich aus. Diese Kavität bildet den zumindest einen Kühlkanal. Im Falle, dass die Innenwandung strukturlos und die Außenwandung strukturbehaftet ausgebildet ist, ist der Kühlmantel mit zumindest einem außenliegenden Kühlkanal ausgebildet, und im Falle, dass die Außenwandung strukturlos und die Innenwandung strukturbehaftet ausgebildet ist, ist der Kühlmantel mit zumindest einem innenliegenden Kühlkanal ausgebildet.
Durch diesen zumindest einen Kühlkanal kann das Kühlfluid entlang der Außenseite des Blechpakets geleitet werden. Um jedoch nicht nur das Blechpaket, sondern auch die Wickelköpfe zu kühlen, ist der Kühlmantel mit einer Höhe ausgebildet, welche insbesondere zumindest einer Gesamthöhe des Blechpakets mit den an dem Blechpaket überstehenden Wicklungen entspricht. Die Gesamthöhe entspricht dabei dem Abstand zwischen den axial am weitesten außenliegenden Punkten der Wickelköpfe. Die Wickelköpfe bilden besonders kritische Bereiche am Stator aus, da diese sich auf eine besonders hohe Temperatur erhitzen können und dabei bereichsweise sogenannte Heißpunkte bzw. „Hotspots“ ausbilden können. Um zu verhindern, dass diese „Hotspots“ eine Leistung der elektrischen Maschine negativ beeinflussen oder sogar zu einer Überhitzung der elektrischen Maschine führen, werden die Wickelköpfe mittels des Kühlmantels mitgekühlt. Dazu wird das Blechpaket von dem beispielsweise hohlzylinderförmigen Blechpaket-Kühlmantelbereich ummantelt und die Wickelköpfe werden von dem beispielsweise hohlzylinderförmigen Wickelkopf-Kühlmantelbereichen ummantelt.
Ein solcher Kühlmantel, welcher sowohl das Blechpaket als auch die besonders temperaturkritischen Wickelköpfe kühlt, sorgt in vorteilhafter Weise für einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine.
Vorzugsweise ist der Kühlmantel mittels eines Rollbond-Verfahrens hergestellt. Bei dem Rollbond-Verfahren bzw. beim Roll-Bonding werden die Bleche bereichsweise aneinander gewalzt und dadurch bereichsweise verbunden. An Stellen, die unverbunden bleiben sollen, können die Bleche durch ein Trennmittel separiert sein. Dann werden die Bleche aufgeblasen, wodurch sich ein Blech gegenüber dem anderen Blech bereichsweise abhebt und dabei die Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet werden. Mit einem solchen Verfahren können auf einfache Weise auch komplexe Verläufe bzw. Formen der Kühlkanäle, beispielsweise mäanderförmige Kühlkanäle, gebildet werden. Der Kühlmantel kann aber auch mittels einer anderen Umformtechnik, beispielsweise durch Tiefziehen oder Hydroformen der Bleche und anschließendem Fügen der Bleche hergestellt werden.
Besonders bevorzugt ist der Kühlmantel als eine Kühlmanschette zum Anordnen an dem Blechpaket, beispielsweise zum Umschnallen um das Blechpaket, ausgebildet. Der Kühlmantel weist also einen sich axial erstreckenden Spalt auf, über welchen der Durchmesser des Kühlmantels zum Anordnen an dem Blechpaket temporär vergrößert werden kann. Dazu können dem Spalt zugewandte Enden bzw. Kanten des Kühlmantels auseinander gedrückt werden und der Kühlmantel kann axial über das Blechpaket geschoben werden. Insbesondere weist die Kühlmanschette zum Verbinden der einander zugewandte Enden der Kühlmanschette Verbindungsmittel auf. Die Enden können als die Verbindungsmittel geeignete Verschlüsse, beispielsweise Federverschlüsse, aufweisen, welche den Kühlmantel durch Zug in Umfangsrichtung an dem Blechpaket befestigen. Auch können die Verbindungsmittel Schrauben sein. Es kann aber auch sein, dass als die Verbindungsmittel Rohrschellen oder Zugbänder verwendet werden, um den Kühlmantel an das Blechpaket anzudrücken. Darüber hinaus können die Enden miteinander verschweißt werden. Im Falle, dass der Kühlmantel nicht als eine Kühlmanschette, sondern geschlossen ausgebildet ist, können der Kühlmantel und das Blechpaket durch Einpressen oder thermisches Fügen miteinander verbunden werden.
Auch kann vorgesehen sein, dass die einander zugewandten Enden der Kühlmanschette in Richtung des Blechpakets abgewinkelt sind und die Außenseite des Blechpakets eine sich axial erstreckende Nut zum Aufnehmen der abgewinkelten Enden der Kühlmanschette aufweist. Die Enden werden also in die Nut eingeführt, sodass in Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung entsteht. So kann eine besonders exakte Positionierung und eine gute Fixierung des Kühlmantels am Blechpaket erreicht werden. Zur weiteren Befestigung können die bereits beschriebenen Verschlüsse am Kühlmantel, die Rohrschellen oder die Zugbänder verwendet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Durchmesser der Wickelkopf-Kühlmantelbereiche zum Reduzieren eines radialen Abstands zu den Wickelköpfen zumindest bereichsweise kleiner als ein Durchmesser des Blechpaket-Kühlmantelbereichs. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Außendurchmesser des Blechpakets größer ist als ein Außendurchmesser der ringförmigen Wickelköpfe. Um eine thermische Anbindung des Kühlmantels, welcher im Blechpaket-Kühlmantelbereich an der Außenseite des Blechpakets anliegt, an die Wickelköpfe zu verbessern, wird der Abstand zwischen den Wickelköpfen und den Wickelkopf-Kühlmantelbereichen durch Verringern des Durchmessers des Kühlmantels in diesen Bereichen zumindest bereichsweise verringert. Der Kühlmantel kann dazu beispielsweise aus drei axial aneinandergrenzenden hohlzylinderförmigen Bereichen ausgebildet sein, wobei der mittlere Bereich den Blechpaket-Kühlmantelbereich mit einem ersten Durchmesser ausbildet und die zwei außenliegenden Bereiche die Wickelkopf-Kühlmantelbereiche mit einem zumindest bereichsweise im Vergleich zum ersten Durchmesser kleineren zweiten Durchmesser ausbilden.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn zur thermischen Anbindung der Wickelköpfe an den jeweiligen Wickelkopf-Kühlmantelbereich ein thermisch leitfähiges Füllmaterial, insbesondere eine Vergussmasse, zwischen den Wickelköpfen und dem jeweiligen Wickelkopf-Kühlmantelbereich angeordnet ist. Da der Kühlmantel aufgrund seiner elektrisch leitfähigen Bleche nicht anliegend an die Wickelköpfe angeordnet werden kann, wird das elektrisch isolierende, thermische leitfähige Füllmaterial verwendet, welches einen Wärmeleitpfad zwischen den Wickelköpfen und dem Kühlmantel bereitstellt. Das Füllmaterial ummantelt bzw. umgibt die Wickelköpfe. Der jeweilige Wickelkopf-Kühlmantelbereich liegt dann an dem Füllmaterial an. So kann trotz des Abstands zwischen den Wickelköpfen und dem Kühlmantel eine besonders effiziente Ableitung der Wärme von den Wickelköpfen an den Kühlmantel erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist zur thermischen Anbindung des Blechpakets an den Blechpaket-Kühlmantelbereich ein thermisch leitfähiger Kleber zwischen dem Blechpaket und dem Blechpaket-Kühlmantelbereich angeordnet. Durch den Kleber kann also eine zusätzliche Fixierung des Kühlmantels an dem Blechpaket erreicht werden und gleichzeitig eine Wärmeabfuhr vom Blechpaket an den Kühlmantel verbessert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Vertiefungen in dem strukturierten Blech sacklochförmig ausgebildet. Dadurch sind die zwei Bleche an punktförmigen Fügestellen miteinander verbunden, wobei durch die Erhebungen ein im Wesentlich hohlzylinderförmiger, punktweise unterbrochener Kühlkanal ausgebildet ist. Die Erhebungen werden also durch den die sacklochförmigen Vertiefungen umgebenden Bereich des strukturbehafteten Blechs gebildet. Durch die punktförmigen Fügestellen werden Unterbrechungen innerhalb des Kühlkanals gebildet, an welchen Turbulenzen in dem strömenden Kühlfluid verursacht werden. Eine solche turbulente Strömung resultiert im Vergleich zu einer laminaren Strömung, welche ein ununterbrochener hohlzylinderförmiger Kühlkanal verursachen würde, in einer höheren Kühlleistung.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Vertiefungen in dem strukturierten Blech nutförmig ausgebildet. Dadurch sind die zwei Bleche an länglichen, sich axial erstreckenden und in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Fügestellen miteinander verbunden, wobei durch die Erhebungen tunnelförmige sich axial und parallel zueinander erstreckende Kühlkanäle ausgebildet sind. In dem strukturierten Blech sind also in Umfangsrichtung abwechselnd längliche Vertiefungen und Erhebungen angeordnet. Die Vertiefungen und Erhebungen erstrecken sich dabei zumindest über eine Höhe des Blechpaket-Kühlmantelbereiches und leiten das Kühlmittel axial entlang der Außenseite des Blechpakets. In einem der Wickelkopf-Kühlmantelbereiche können U-förmige Erhebungen ausgebildet sein, welche jeweils zwei benachbarte Kühlkanäle verbinden und das Kühlfluid somit im Bereich eines Wickelkopfs umlenken. Solche einzelnen, tunnelartigen Kühlkanäle sorgen für einen im Vergleich zu einem hohlzylinderförmigen Kühlkanal höheren Strömungswiderstand des Kühlfluids und damit für eine höhere Kühlleistung.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das die Außenwand ausbildende Blech strukturlos ausgebildet und das die Innenwand ausbildende Blech weist die radial nach innen in Richtung des Blechpakets ragenden Erhebungen auf, wobei die Außenseite des Blechpakets mit den Erhebungen korrespondierende Kühlungsnuten zum Aufnehmen der Erhebungen aufweist. Der zumindest eine Kühlkanal ist also innenliegend ausgebildet. Das Blechpaket weist an der Innenseite die Wicklungsnuten zum Aufnehmen der Wicklungen und an der Außenseite die Kühlungsnuten zum Aufnehmen der Kühlkanäle auf. Im Falle, dass die Kühlkanäle als sich axial erstreckende Tunnel ausgebildet sind, sind die Kühlungsnuten längliche Vertiefungen, welche in Umfangsrichtung über die Außenseite des Blechpakets parallel zueinander angeordnet sind und sich axial über die Höhe des Blechpakets erstrecken. Dabei können eine Anzahl, Form und Abstand der Kühlungsnuten unterschiedlich zu Anzahl, Form und Abstand der Wicklungsnuten sein. Durch das Anordnen der Erhebungen der Innenwandung in den Kühlungsnuten kann eine radiale Breite des Stators in vorteilhafter Weise besonders gering gehalten werden. Außerdem kann eine glatte Außenkontur des Stators gebildet werden, über welche der Stator in vorteilhafter Weise form- oder kraftschlüssig, beispielsweise mittels einer Schraublösung oder eines Querpressverbands, in einem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt werden kann.
Vorzugsweise weist der Kühlmantel zumindest eine radial nach außen ragenden Ausbuchtung auf, durch welche ein Hohlraum zwischen dem Kühlmantel und der Außenseite des Blechpakets zum Aufnehmen und Kühlen von zumindest einer weiteren Komponente der elektrischen Maschine gebildet ist. In dem Hohlraum können die weiteren Komponenten der elektrische Maschine, beispielsweise Gehäuseteile, ein Wellenlager, Elektronikbauteile, Leitungen, etc. angeordnet und dadurch thermisch an den Kühlmantel angebunden werden. Insbesondere erstreckt sich die zumindest eine Ausbuchtung axial über zumindest einen Teil der Höhe des Kühlmantels oder befindet sich in dessen Verlängerung und bildet einen tunnelartigen Hohlraum zwischen dem Kühlmantel und der Außenseite des Blechpakets zum Aufnehmen und Kühlen von einer als Anschlussleitung an die Wicklungen gebildeten Komponente aus. Die Anschlussleitungen werden also zwischen der Außenseite des Blechpakets und dem Kühlmantel geführt und dadurch gekühlt.
Darüber hinaus kann das Blechpaket zumindest eine sich über die gesamte Höhe des Blechpakets erstreckende laschenartige Auswölbung mit einer axial durchgängigen, ein Schraubloch ausbildenden Öffnung zum Verschrauben des Stators mit einem Gehäuse der elektrischen Maschine aufweisen und der Kühlmantel kann zumindest eine mit der zumindest einen Auswölbung korrespondierende Ausformung aufweisen. Im Bereich der laschenartigen Auswölbung wird eine radiale Breite des Blechpakets vergrößert. Durch diese Auswölbung verläuft die Durchgansöffnung, durch welche eine Schraube zum Festschrauben des Stators geführt werden kann. Der Kühlmantel weist die zu der Auswölbung korrespondierende Ausformung aus, sodass der Kühlmantel einer Außenkontur des Blechpakets folgt. Der Kühlmantel und das Blechpaket weisen also den gleichen Querschnitt auf, sodass der Kühlmantel im Blechpaket-Kühlmantelbereich vollflächig an die Außenseite des Blechpakets angelegt werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass zumindest einer der Wickelkopf-Kühlmantelbereiche als Fluidverteilstruktur zum Einleiten des Kühlfluids in den zumindest einen Kühlkanal und/oder als Fluidsammelstruktur zum Aufnehmen des Kühlfluids aus dem zumindest einen Kühlkanal gebildet ist und einen Kühlfluidanschluss mit einem Fluideinlass zum Einleiten des Kühlfluids in die Fluidverteilstruktur und einem Fluidauslass zum Auslassen des Kühlfluids aus der Fluidsammelstruktur aufweist. Beispielsweise kann dazu der zumindest eine Kühlkanal nur in dem Blechpaket-Kühlmantelbereich ausgebildet sein. So kann beispielsweise einer der Wickelkopf-Kühlmantelbereiche als die Verteilstruktur ausgebildet sein und den Fluideinlass aufweisen. Über den Fluideinlass, welcher mit dem Kühlkreislauf gekoppelt werden kann, kann aus dem Kühlkreislauf Kühlfluid in die Verteilstruktur eingeleitet werden, welche das Kühlfluid dem zumindest einen Kühlkanal zuführt. Der andere der Wickelkopf-Kühlmantelbereiche kann als die Sammelstruktur ausgebildet sein und den Fluidauslass aufweisen. In diesem Fall wird das Kühlfluid in axialer Richtung geleitet, wobei Fluideinlass sowie Fluidauslass an axial gegenüberliegenden Rändern des Kühlmantels angeordnet sind.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass Fluideinlass und Fluidauslass am selben Wickelkopf-Kühlmantelbereich angeordnet sind, sodass das Kühlfluid axial und in Umfangsrichtung geleitet wird. In diesem Fall dient der den Kühlfluidanschluss aufweisende Wickelkopf-Kühlmantelbereich als Fluidverteil- und Fluidsammelstruktur, während der andere Wickelkopf-Kühlmantelbereich Teilbereiche des zumindest einen Kühlkanals umfasst. Im Falle der sich axial erstreckenden Kühlkanäle wird in diesem Wickelkopf-Kühlmantelbereich beispielsweise das Kühlfluid von einem Kühlkanal in einen benachbarten Kühlkanal umgeleitet bzw. umgelenkt. Zum Ausbilden des Kühlfluidanschlusses können die zwei Bleche in dem oder den Wickelkopf-Kühlmantelbereich(en) an ihrer den Rand des Kühlmantels ausbildenden Seite zumindest bereichsweise gefügt sein, wobei die zwei Bleche in dem ungefügten Bereich beabstandet zueinander ausgebildet sind und den Fluideinlass bzw. Fluidauslass ausbilden.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße elektrische Maschine aufweist. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug und weist die elektrische Maschine als Antriebsmaschine auf.
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Stator vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Stators einer elektrischen Maschine aus einer ersten Perspektive;
2 eine schematische Darstellung des Stators gemäß 1 aus einer zweiten Perspektive;
3 eine schematische Darstellung eines Blechpakets mit Wicklungen des Stators gemäß 1 und 2;
4 eine schematische Darstellung des Blechpakets des Stators gemäß 1, 2 und 3;
5 eine schematische Darstellung eines Kühlmantels des Stators gemäß 1 und 2;
6 eine weitere schematische Darstellung des Stators gemäß 1 und 2;
7 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Stators einer elektrischen Maschine aus einer ersten Perspektive;
8 eine schematische Darstellung des Stators gemäß 7 aus einer zweiten Perspektive;
9 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Stators einer elektrischen Maschine aus einer ersten Perspektive;
10 eine schematische Darstellung des Stators gemäß 9 aus einer zweiten Perspektive; und
11 eine schematische Darstellung eines Kühlmantels des Stators gemäß 9 und 10.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform eines Stators 1 einer hier nicht gezeigten elektrischen Maschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug aus unterschiedlichen Perspektiven. Der Stator 1 weist ein Blechpaket 2 auf, welches als Einzeldarstellung in 3 gezeigt ist. Das Blechpaket 2 ist entlang einer Umfangsrichtung U um eine Längsachse L des Stators 1 umlaufend und hohlzylinderförmig ausgebildet. Die Längsachse L entspricht auch einer Rotationsachse, um welche sich ein in einem zylinderförmigen Hohlraum 3 des Blechpakets 2 gelagerter, hier nicht gezeigter Rotor dreht. Das Blechpaket 2 weist eine Innenseite 4 auf, welche den zylinderförmigen Hohlraum 3 umschließt. Außerdem weist das Blechpaket 2 eine der Innenseite 4 in radialer Richtung R gegenüberliegende Außenseite 5 auf. In der Innenseite 4 des Blechpakets 2 sind in Umfangsrichtung U mehrere Wicklungsnuten 6 verteilt ausgebildet. Die Wicklungsnuten 6 erstrecken sich axial entlang der Längsachse L von einer ersten Stirnseite 7 des Blechpakets 2 zu einer der ersten Stirnseite 7 axial gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 8 des Blechpakets 2. In diesen Wicklungsnuten 6 sind Wicklungen 9 des Stators 1 angeordnet. Die Wicklungen 9 sind hier als Formstabwicklungen ausgebildet. In 4 ist eine Darstellung des Blechpakets 2 mit den Wicklungen 9 gezeigt. Die Wicklungen 9 ragen dabei axial über die Stirnseiten 7, 8 des Blechpakets 2 hinaus und bilden dort Wickelköpfe 10 aus.
Außerdem weist der Stator 1 einen Kühlmantel 11 auf, welcher in einer Einzeldarstellung in 5 gezeigt ist. Der Kühlmantel 11 weist ein erstes Blech 12 auf, welches eine Innenwandung des Kühlmantels 11 bildet und der Außenseite 5 des Blechpakets 2 zugewandt ist, und ein zweites Blech 13 auf, welches eine Außenwandung des Kühlmantels 11 bildet und radial benachbart zur Innenwandung angeordnet ist. Eines der beiden Bleche 11, 12 ist dabei strukturlos ausgebildet und weist somit eine glatte Oberfläche auf. Hier ist das die Außenwandung ausbildende zweite Blech 13 strukturlos ausgebildet und bildet somit eine glatte Außenkontur des Stators 1. Das erste Blech 12 ist hier strukturiert ausgebildet und weist Vertiefungen 14 und Erhebungen 15 auf. Im Bereich der Vertiefungen 14 sind die Bleche 12, 13 gefügt und fest verbunden. Im Bereich der Erhebungen 15 sind die verbundenen Bleche 12, 13 beabstandet zueinander angeordnet und bilden somit zumindest einen Kühlkanal 16 zum Leiten eines Kühlfluids aus. Der zumindest eine Kühlkanal 16 ragt also hier radial nach innen. In der ersten Ausführungsform des Stators 1 weist dieser mehrere tunnelartige Kühlkanäle 16 auf, welcher parallel zueinander verlaufen, sich axial erstrecken und in Umfangsrichtung U verteilt angeordnet sind. Das Blechpaket 2 weist hier an seiner Außenseite 5 zum Aufnehmen der nach innen ragenden Kühlkanäle 16 Kühlungsnuten 17 auf, welche sich in axialer Richtung über eine gesamte Höhe 18 des Blechpakets 2 erstrecken. Der Kühlmantel 11 kann also formschlüssig mit dem Blechpaket 2 zusammengefügt werden, indem die Kühlkanäle 16 in den Kühlungsnuten 17 angeordnet werden.
7 und 8 zeigen eine zweite Ausführungsform des Stators 1 aus unterschiedlichen Perspektiven. Hier ist das die Innenwandung ausbildende erste Blech 12 strukturlos ausgebildet und das die Außenwandung ausbildende zweite Blech 13 weist die Struktur aus Vertiefungen 14 und Erhebungen 15 auf. Die Vertiefungen 14 sind hier sacklochförmig ausgebildet, sodass das erste und das zweite Blech 12, 13 an punktförmigen Fügestellen gefügt sind. Der durch die Erhebungen 15 gebildete Kühlkanal 16 ist somit hohlzylinderförmig ausgebildet und weist punktförmige Unterbrechungen auf, durch welche Turbulenzen in dem Kühlfluid erzeugt werden.
Der Kühlmantel 11 der beiden Ausführungsformen des Stators 1 kann beispielsweise durch Roll-Bonding hergestellt werden. Dazu werden die zwei Bleche 12, 13 durch Walzen bei großem Druck zusammengefügt, wobei Bereiche der Bleche 12, 13 ausgespart bzw. mit Trennmitteln behandelt werden, sodass sie sich dort nicht verbinden können. Anschließend werden diese Bereiche „aufgeblasen“, sodass sich dort die Erhebungen 15 in Form von den Kühlkanälen 16 bilden können. Die nicht mit Trennmittel behandelten Bereiche, an welchen die Bleche 12, 13 verbunden sind, bilden die Vertiefungen 14 aus.
Der Kühlmantel 11 weist dabei eine Höhe 19 auf, welche die Höhe 18 des Blechpakets 2 überschreitet. Die Höhe 19 des Kühlmantels 11 entspricht insbesondere einer Gesamthöhe 20 des die Wicklungen 9 aufweisenden Blechpakets 2 (siehe 4). Der Kühlmantel 11 steht also an den Stirnseiten 7, 8 am Blechpaket 2 über und weist somit einen Blechpaket-Kühlmantelbereich 21 und zwei axial gegenüberliegende Wickelkopf-Kühlmantelbereiche 22 auf. Im Blechpaket-Kühlmantelbereich 21 liegt das erste Blech 12 an der Außenseite 5 des Blechpakets 2 an. Die Wickelkopf-Kühlmantelbereiche 22 ummanteln die Wickelköpfe 10, wobei das erste Blech 12 beabstandet zu den Wickelköpfen 10 angeordnet ist. Die Wickelköpfe 10 sind hier von einer Vergussmasse 23 (siehe 6) ummantelt, welche elektrisch isolierend und thermisch leitfähig ist. Die Vergussmasse 23 bindet die Wickelköpfe 10 thermisch an den Kühlmantel 11 an. Der Kühlmantel 11 kann beispielsweise als Kühlmanschette ausgebildet sein. Dazu weist der Kühlmantel 11 einen Spalt 24 auf, wobei an den Spalt 24 angrenzende Enden 25 des Kühlmantels 11 zum Anordnen an dem Blechpaket 2 auseinandergebogen werden können. Nach Anordnen der Kühlmanschette an dem Blechpaket 2 kann der Kühlmantel 11 beispielsweise über Verschlüsse an den Enden 25, über Zugbänder oder über Rohrschellen an dem Blechpaket 2 fixiert werden.
Außerdem weist der Kühlmantel 11 einen Kühlfluidanschluss 26 mit einem Fluideinlass 27 und einem Fluidauslass 28 auf. Der Kühlfluidanschluss 26 ist hier in einem der Wickelkopf-Kühlmantelbereiche 22 ausgebildet. Beispielsweise ist dazu in zumindest einem der Bleche 12, 13 eine Ausbuchtung geformt, durch welche die Belche 12, 13 beabstandet zueinander angeordnet sind. Über den Fluideinlass 27 kann dabei Kühlfluid in den Kühlmantel 11 eingeleitet werden und über den Fluidauslass 28 kann Kühlfluid aus dem Kühlmantel 11 abgelassen werden. Der Wickelkopf-Kühlmantelbereich 22, welcher hier sowohl den Fluideinlass 27 als auch den Fluidauslass 28 aufweist, dient hier als Fluidverteil- und Fluidsammelstruktur. Über die Fluidverteilstruktur, welche fluidisch mit dem Fluideinlass 27 gekoppelt ist, wird Fluid in den zumindest einen Kühlkanal 16 eingeleitet und in der Fluidsammelstruktur, welche fluidisch mit dem Fluidauslass 28 gekoppelt ist, wird das durch den zumindest einen Kühlkanal 16 geleitete Kühlfluid wieder gesammelt. Hier wird das Kühlfluid als axial und in Umfangsrichtung U durch den zumindest einen Kühlkanal 16 entlang des Blechpakets 2 und entlang der Wickelköpfe 10 geleitet.
9 und 10 zeigen eine dritte Ausführungsform des Stators 1. Hier weist das Blechpaket 2 zwei laschenartige Auswölbungen 29 auf, durch welche eine radiale Breite des Blechpakets 2 bereichsweise vergrößert wird. Diese Auswölbungen 29 weisen axial durchgängige Öffnungen 30 auf, welche Schraublöcher zum Verschrauben des Stators 1 in einem Gehäuse der elektrischen Maschine ausbilden. Der Kühlmantel 11, welcher hier ohne die Erhebungen 15 und Vertiefungen 14 in separater Darstellung in 11 gezeigt ist, weist zu den Auswölbungen 29 korrespondierende Ausformungen 31 auf, welche sich axial über die gesamte Höhe 19 des Kühlmantels 11 erstrecken und zum Aufnehmen der Auswölbungen 29 des Blechpakets 2 ausgebildet sind. Außerdem weist der Kühlmantel 11 hier eine radial nach außen ragende Ausbuchtung 32 auf, durch welche hier ein tunnelartiger Hohlraum 33 zwischen dem Blechpaket 2 und dem Kühlmantel 11 gebildet ist. In diesem Hohlraum 33 können beispielsweise Anschlussleitungen an die Wicklungen 9 des Stators 1 angeordnet und gekühlt werden.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Blechpaket
3: Hohlraum
4: Innenseite
5: Außenseite
6: Wicklungsnut
7: erste Stirnseite
8: zweite Stirnseite
9: Wicklungen
10: Wickelköpfe
11: Kühlmantel
12: erstes Blech
13: zweites Blech
14: Vertiefungen
15: Erhebungen
16: Kühlkanäle
17: Kühlungsnuten
18: Höhe des Blechpakets
19: Höhe des Kühlmantels
20: Gesamthöhe
21: Blechpaket-Kühlmantelbereich
22: Wickelkopf-Kühlmantelbereiche
23: Vergussmasse
24: Spalt
25: Enden
26: Kühlfluidanschluss
27: Fluideinlass
28: Fluidauslass
29: Auswölbung
30: Öffnung
31: Ausformung
32: Ausbuchtung
33: Hohlraum
L: Längsachse
U: Umfangsrichtung
R: radiale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007055910 A1 [0003]

Claims

Stator (1) für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs aufweisend: - ein Blechpaket (2) mit einer einem Hohlraum (3) zugewandten Innenseite (4), welche entlang der Umfangsrichtung (U) axial erstreckende Wicklungsnuten (6) aufweist, und mit einer Außenseite (5), - Wicklungen (9), welche in den Wicklungsnuten (6) angeordnet sind und an axial gegenüberliegenden Stirnseiten (7, 8) des Blechpakets (2) Wickelköpfe (10) ausbilden, und - einen Kühlfluid leitenden Kühlmantel (11) mit einem ersten Blech (12), welches eine dem Blechpaket (2) zugewandte Innenwandung des Kühlmantels (11) ausbildet, und einem zweiten Blech (13), welches eine die Innenwandung umgebende Außenwandung des Kühlmantels (11) ausbildet, wobei eines der Bleche (12, 13) strukturlos ausgebildet ist und das jeweils andere Blech (13, 12) mit Vertiefungen (14) und Erhebungen (15) strukturiert ist, und wobei die Bleche (12, 13) im Bereich der Vertiefungen (14) zusammengefügt sind und im Bereich der Erhebungen (15) zumindest einen das Kühlfluid führenden Kühlkanal (16) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Höhe (19) des Kühlmantels (11) eine axiale Höhe (18) des Blechpakets (2) überschreitet, und der Kühlmantel (11) einen Blechpaket-Kühlmantelbereich (21) zum Ummanteln des Blechpakets (2) und zwei axial gegenüberliegende, an den Blechpaket-Kühlmantelbereich (21) angrenzende Wickelkopf-Kühlmantelbereiche (22) zum Ummanteln der Wickelköpfe (10) aufweist.
Stator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (11) als eine Kühlmanschette zum Anordnen an dem Blechpaket (2) ausgebildet ist.
Stator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einander zugewandte Enden (25) der Kühlmanschette in Richtung des Blechpakets (2) abgewinkelt sind und die Außenseite (5) des Blechpakets (2) eine sich axial erstreckende Nut zum Aufnehmen der abgewinkelten Enden (25) der Kühlmanschette aufweist.
Stator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmanschette zum Verbinden von einander zugewandte Enden (25) der Kühlmanschette Verbindungsmittel aufweist.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der Wickelkopf-Kühlmantelbereiche (22) zum Reduzieren eines radialen Abstands zu den Wickelköpfen (10) zumindest bereichsweise kleiner ist als ein Durchmesser des Blechpaket-Kühlmantelbereichs (21).
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Anbindung der Wickelköpfe (10) an den jeweiligen Wickelkopf-Kühlmantelbereich (22) ein thermisch leitfähiges Füllmaterial, insbesondere eine Vergussmasse (23), zwischen den Wickelköpfen (10) und dem jeweiligen Wickelkopf-Kühlmantelbereich (22) angeordnet ist und/oder zur thermischen Anbindung des Blechpakets (2) an den Blechpaket-Kühlmantelbereich (21) ein thermisch leitfähiger Kleber zwischen dem Blechpaket (2) und dem Blechpaket-Kühlmantelbereich (21) angeordnet ist.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (11) mittels eines Rollbond-Verfahrens hergestellt ist.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (14) sacklochförmig ausgebildet sind und die zwei Bleche (12, 13) an punktförmigen Fügestellen miteinander verbunden sind, wobei durch die Erhebungen (15) ein hohlzylinderförmiger, punktweise unterbrochener Kühlkanal (16) ausgebildet ist.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (14) nutförmig ausgebildet sind und die zwei Bleche (12, 13) an länglichen, sich axial erstreckenden und in Umfangsrichtung (U) verteilt angeordneten Fügestellen miteinander verbunden sind, wobei durch die Erhebungen (15) tunnelförmige sich axial und parallel zueinander erstreckende Kühlkanäle (16) ausgebildet sind.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Außenwand ausbildende zweite Blech (13) strukturlos ausgebildet ist und das die Innenwand ausbildende erste Blech (12) die radial nach innen in Richtung des Blechpakets (2) ragende Erhebungen (15) aufweist, wobei die Außenseite (5) des Blechpakets (2) mit den Erhebungen (15) korrespondierende Kühlungsnuten (17) zum Aufnehmen der Erhebungen (15) aufweist.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (15) zumindest eine radial nach außen ragende Ausbuchtung (32) aufweist, durch welche ein Hohlraum (33) zwischen dem Kühlmantel (11) und der Außenseite (5) des Blechpakets (2) zum Aufnehmen und Kühlen von zumindest einer weiteren Komponente der elektrischen Maschine gebildet ist.
Stator (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtung (32) sich axial über zumindest einen Teil der Höhe (19) des Kühlmantels (11) erstreckt oder sich in dessen Verlängerung befindet und einen tunnelartigen Hohlraum (33) zwischen dem Kühlmantel (11) und der Außenseite (5) des Blechpakets (2) zum Aufnehmen und Kühlen von einer als Anschlussleitung an die Wicklungen (9) gebildeten Komponente ausbildet.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket (2) zumindest eine sich über die gesamte Höhe (18) des Blechpakets (2) erstreckende laschenartige Auswölbung (29) mit zumindest einer axial durchgängigen, ein Schraubloch ausbildenden Öffnung (30) zum Verschrauben des Stators (1) in einem Gehäuse der elektrischen Maschine aufweist und der Kühlmantel (11) zumindest eine mit der zumindest einen Auswölbung (29) korrespondierende Ausformung (31) aufweist.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Wickelkopf-Kühlmantelbereiche (21) als Fluidverteilstruktur zum Einleiten des Kühlfluids in den zumindest einen Kühlkanal (16) und/oder als Fluidsammelstruktur zum Aufnehmen des Kühlfluids aus dem zumindest einen Kühlkanal (16) gebildet ist und einen Kühlfluidanschluss (26) mit einem Fluideinlass (27) zum Einleiten des Kühlfluids in die Fluidverteilstruktur und einem Fluidauslass (28) zum Auslassen des Kühlfluids aus der Fluidsammelstruktur aufweist.
Elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug aufweisend einen Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie einen Rotor, welcher innerhalb des Stators (1) drehbar gelagert ist.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 15.