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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine.
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Ein Stator für eine elektrische Maschine wie beispielsweise für einen Reluktanzmotor oder für eine Synchronmaschine weist üblicherweise ein Statorblechpaket mit einer hohlzylinderförmigen Grundform auf, sodass innerhalb des Stators ein Rotor aufgenommen werden kann. Der Rotor wird durch ein elektromagnetisches Feld innerhalb des Stators dazu angetrieben, sich um seine eigene Achse zu drehen. Das elektromagnetische Feld entsteht dabei üblicherweise durch einen Strom, der durch einen Satz Spulen fließt. Die Spulen werden von einer Statorwicklung bereitgestellt, welches auf eine vorbestimmte Art und Weise um das Statorblechpaket gewickelt wird. Hierfür kann das Statorblechpaket beispielweise Statorzähne ausbilden, um welche jeweils eine Spule gewickelt wird.
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Die elektrische Maschine mit dem Stator und dem Rotor wird beispielsweise bei Kraftfahrzeugen innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Aufgrund der kompakten Bauweise der elektrischen Maschine ist es wichtig, dass der Stator ausreichend gekühlt wird. Hierzu ist es bekannt, Kühlkanäle innerhalb des Gehäuses anzuordnen, die durch ein Kühlmittel durchströmt werden und somit eine Außenfläche des Stators kühlen können.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2004 048 461 A1 ein Gehäuse einer elektrischen Maschine, welches besonders kompakt gestaltet ist. Hierzu werden Kühlkanäle eines Gehäuses nach innen offen gelassen, sodass sich eine Innenwand eines Kühlkanals durch einen in das Gehäuse eingesetztes Statorblechpaket bildet.
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Als alternative Kühlungsmöglichkeit beschreibt die
DE 10 2012 218 696 A1 eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor, einem Gehäuse und einem Kühlsystem zur Führung eines Kühlluftstroms durch die rotierende elektrische Maschine, wobei erste Kühlluftkanäle durch Nuten im Rotorblechpaket gebildet werden und zweite Kühlluftkanäle durch Nuten im Statorblechpaket gebildet werden.
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Aus der
DE 197 16 759 A1 ist ein Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische Maschinen bekannt. Dabei werden innerhalb des Blechpakets Kühlmittelleitungen eingebettet, durch die eine Kühlflüssigkeit fließt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühlung eines gattungsgemäßen Stators dahingehend zu verbessern, dass eine besonders effiziente Kühlung eines insgesamt bauraumsparenden Stators realisiert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche, die folgende Beschreibung und die Figuren offenbart.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass das Kühlmittel räumlich so nah wie möglich an dem Stator und der Statorwicklung fließen sollte, um eine besonders effiziente Kühlung der sich aufheizenden Kabelelemente der Statorwicklung und des sich somit insgesamt aufheizenden Stators zu realisieren. Ein Kabelelement der Statorwicklung ist üblicherweise an einer Stirnseite eines hohlzylinderförmigen Statorblechpakets derart gewickelt, dass sich ein sogenannter Wickelkopf an der Stirnseite des Statorblechpakets bildet, wobei der Wickelkopf üblicherweise aus der hohlzylinderförmigen Grundform des Statorblechpakets hinausragt. Da im Bereich des Wickelkopfs eine Dichte von Kabelelementen der Statorwicklung besonders hoch ist, ist dieser Bereich bei durchfließenden Strom besonders dafür anfällig, sich auf hohe Temperaturen aufzuheizen. Der Erfindung liegt es somit zugrunde, einen Kühlkanal, der sich entlang des Wickelkopfs der Statorwicklung des Stators erstreckt, vorzusehen. Somit wird einer der sich am stärksten aufwärmenden Bereiche des Stators gekühlt.
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Um die Kühlung des Stators besonders effizient zu gestalten und den Stator bauraumsparend zu realisieren, wird folgender Stator geschaffen: dieser umfasst ein Statorblechpaket, welches eine hohlzylinderförmigen Grundform mit zumindest einer Stirnseite aufweist. In bekannter Weise ist ein Statorblechpaket aus mehreren Blechen gebildet, die beispielsweise zusammen gestanzt und/oder verklebt und/oder verschweißt werden. Die Bleche sind derart geformt und zusammengefügt, dass sie insgesamt ein Statorblechpaket mit der Form eines Hohlzylinders bilden. Das Statorblechpaket kann somit zwei Stirnseiten aufweisen.
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Das Statorblechpaket weist eine Vielzahl von Stator-Kühlkanälen auf, deren Längsrichtung sich jeweils parallel zu einer axialen Richtung der hohlzylinderförmigen Grundform des Statorblechpakets erstreckt. Mit axialer Richtung ist eine Richtung gemeint, die parallel zu einer Zylinderachse des hohlzylinderförmigen Statorblechpakets ist. Die Stator-Kühlkanäle sind beispielsweise parallel zu einer Mantelfläche des Statorblechpakets und im gleichen Abstand zueinander angeordnet. Dabei können die Stator-Kühlkanäle jeweils durch Nuten, die sich auf einer Außenfläche der Mantelfläche des Statorblechpakets erstrecken, gebildet werden. Die Stator-Kühlkanäle können dann anschließend durch ein auf der Mantelfläche des Statorblechpakets aufliegendes Gehäuse umschlossen werden. Somit ergibt sich vorteilhafter Weise ein besonders kompakter Stator mit einem bereits integrierten Kühlsystem.
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Alternativ oder ergänzend können die Stator-Kühlkanäle jeweils durch eine Aussparung innerhalb des Statorblechpakets gebildet werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass beispielsweise ein durch die Kühlkanäle fließendes Kühlmittel noch näher an einer Statorwicklung verläuft, da die Statorwicklung üblicherweise zumindest teilweise in einem Innenraum des hohlzylinderförmigen Statorblechpakets angeordnet ist. Somit ist der Effekt der Kühlung der Statorwicklung und des Stators insgesamt noch größer. Die jeweiligen Aussparungen können beispielsweise beim Stapeln des Statorblechpakets durch die einzelnen Bleche des Statorblechpakets geformt werden.
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Weiterhin umfasst der Stator die Statorwicklung, welche an einer der Stirnseiten des Statorblechpakets zu einem Wickelkopf gewickelt ist. Der Wickelkopf ist beispielsweise durch eine Vielzahl ringförmig angeordneter Spulen gebildet. Der Wickelkopf ragt an der jeweiligen Stirnseite aus der hohlzylinderförmigen Grundform des Statorblechpakets heraus. Der Stator kann insbesondere zwei Wickelköpfe umfassen, wobei jeweils ein Wickelkopf an einer Stirnseite des Statorblechpakets herausragt.
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Der Stator umfasst ferner zumindest einen Wickelkopf-Kühlkanal, welcher sich entlang einer Außenumfangsfläche des jeweiligen zumindest einen Wickelkopfs erstreckt. Dabei erstreckt sich der zumindest eine Wickelkopf-Kühlkanal parallel zu einer radialen Richtung der hohlzylinderförmigen Grundform des Statorblechpakets. Mit radialer Richtung ist eine Richtung gemeint, die parallel zu einem Radius des hohlzylinderförmigen Statorblechpakets ist. Mit anderen Worten erstreckt sich der zumindest eine Wickelkopf-Kühlkanal ringsum den jeweiligen Wickelkopf. Der Wickelkopf-Kühlkanal kann somit ringförmig ausgebildet sein. Der Wickelkopf-Kühlkanal ist dazu ausgelegt, ein Kühlmittel zu umfassen. Das Kühlmittel kann eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder Öl sein. Bei einem Kühlmittel in flüssiger Form kann der Wickelkopf-Kühlkanal derart ausgelegt sein, dass das Kühlmittel den gesamten Wickelkopf-Kühlkanal durchströmt.
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Der zumindest eine Wickelkopf-Kühlkanal ist mit der Vielzahl von Stator-Kühlkanälen verbunden. Mit anderen Worten ist eine Anbindung des Wickelkopf-Kühlkanals an die Stator-Kühlkanäle derart gestaltet, dass das Kühlmittel, welches durch den Wickelkopf-Kühlkanal strömt, an die Stator-Kühlkanäle weitergeleitet wird. Somit bilden der zumindest eine Wickelkopf-Kühlkanal und die Vielzahl von Stator-Kühlkanalen zusammen ein Kühlmittel-Verteilungssystem, dass das Kühlmittel über die gesamten Kühlkanäle verteilt. Das Statorblechpaket als auch die Statorwicklung werden gleichmäßig über ihre zusammen insgesamt gebildete Außenfläche verteilt mittels des in den Kühlkanälen strömenden Kühlmittels gekühlt. In vorteilhafter Weise fließt das Kühlmittel besonders nah zu den Kabelelementen der Statorwicklung. Es ist somit im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mehr nötig, in aufwändige Art und Weise ein Gehäuse mit einem Kühlsystem für einen Stator bereitzustellen, bei dem das Kühlmittel im Vergleich zu dem erfindungsgemä-ßen Stator in größerer Entfernung von der Statorwicklung fließt. Somit kann in vorteilhafter Weise ein insgesamt platzsparender Stator bereitgestellt werden, der eine besonders gute Kühlung der Statorwicklung bietet.
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Die Erfindung umfasst auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Status, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass sich zumindest zwischen dem zumindest einen Wickelkopf und dem jeweiligen Wickelkopf-Kühlkanal ein Dichtkörper erstreckt. Mit anderen Worten ist der zumindest eine Wickelkopf von einem jeweiligen Wickelkopf-Kühlkanal abgedichtet. Der Dichtkörper kann aus einem Kunststoffmaterial und/oder einem Epoxid und/oder einem Metall gebildet sein. Beispielsweise ist der Dichtkörper aus Aluminium hergestellt. Alternativ kann der Dichtkörper aus Epoxidharz hergestellt sein. Der Dichtkörper kann zumindest teilweise oder vollständig einen Teil des Wickelkopf-Kühlkanals bilden. Beispielsweise bildete der Dichtkörper einen Unterboden und/oder eine Seitenwand des Wickelkopf-Kühlkanals. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Statorwicklung durch den Dichtkörper elektrisch isoliert wird. Ein im Kühlkanal fließendes Kühlmittel kommt somit nicht in Kontakt mit der Statorwicklung. Gleichzeitig ergibt sich der Vorteil, dass Baumaterial und Bauraum bei der Ausführung des Stators eingespart werden kann, da der Dichtkörper gleichzeitig einen Teil des Wickelkopf-Kühlkanals bildet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Dichtkörper aus einem ausgehärteten Flüssig- und/oder Schaummaterial gebildet ist. Bei einer Herstellung des Stators kann dann der flüssige und/oder schaumförmige Dichtkörper zunächst um den Wickelkopf eingespritzt werden und daraufhin verfestigen. Der ausgehärtete Dichtkörper kann dann zumindest teilweise einen Teil des Wickelkopf-Kühlkanals bilden. Weiterhin kann sich der zunächst flüssige und/oder schaumförmige Dichtkörper in Lücken einfügen, welche beispielsweise zwischen dem Wickelkopf und dem Statorblechpaket und/oder zwischen dem Wickelkopf und den Stator-Kühlkanälen entstehen. Die Verwendung eines flüssigen und/oder Schaum ringförmigen Dichtkörpers, der anschließend verfestigt, bietet den Vorteil, dass die Statorwicklung mit dem Wickelkopf und das Statorblechpaket besonders gut von dem Wickelkopf-Kühlkanal abgedichtet werden. Somit kann sichergestellt werden, dass alle Lücken und Ritzen, die sich zwischen dem Kühlkanal und der Statorwicklung oder zwischen dem Kühlkanal und dem Statorblechpaket ergeben könnten, durch den Dichtkörper geschlossen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Dichtkörper aus zwei bündig aneinander angrenzende Ringkörper gebildet ist, wobei ein jeweiliger Innenradius der beiden Ringkörper gleich ist. Die beiden Ringkörper bilden somit insgesamt eine einheitliche Innenumfangsfläche. Diese ist um eine Außenumfangsfläche des zumindest einen Wickelkopfs herum angeordnet. Beispielsweise ist eine axiale Ausdehnung des ringförmigen Dichtkörpers parallel zur axialen Richtung des hohlzylinderförmigen Statorblechpakets.
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Weist der Stator beispielsweise zwei Wickelköpfe an den gegenüberliegenden Stirnseiten auf, so kann der Stator zwei der beschriebenen Dichtkörper aufweisen, wobei ein Dichtkörper an dem jeweils einen Wickelkopf anliegt. Die beiden Ringkörper des Dichtkörpers weisen jedoch unterschiedliche Außenradien auf. Der zumindest eine Wickelkopf-Kühlkanal ist durch eine Außenumfangsfläche des Dichtkörpers gebildet. Beispielsweise bildet die Außenumfangsfläche eines ersten Ringkörpers eine untere Wand des Wickelkopf-Kühlkanals. Der bündig anschließende zweite Ringkörper kann dann eine Seitenwand des Wickelkopf-Kühlkanals bilden. In diesem Fall ist der Außenradius des zweiten Ringkörpers größer als der Außenradius des ersten Ringkörpers. Eine weitere Seitenwand des Wickelkopf-Kühlkanals kann dann gegenüberliegend der durch den zweiten Ringkörper gebildeten Seitenwand durch das Stator-Blechpaket gebildet werden. Der zweite Ringkörper kann somit einen äußeren Verschluss des Wickelkopf-Kühlkanals darstellen. Der erste Ringkörper kann dann am Wickelkopf des Stators in Richtung des Statorblechpakets und den Stator-Kühlkanälen und der zweite Ringkörper weiter davon entfernt in eine Außenrichtung des Stators angeordnet sein. Eine axiale Ausdehnung des ersten Ringkörpers, welcher eine untere Wand des Wickelkopf-Kühlkanals bildet, kann dann größer sein als die axiale Ausdehnung des zweiten Ringkörpers. Der Dichtkörper ist bevorzugt aus Aluminium und/oder einem Kunststoff gebildet. Ein Dichtkörper dieser Ausführungsform bietet den Vorteil, dass mit besonders einfachen und günstigen Mitteln der zumindest eine Wickelkopf-Kühlkanal an dem Wickelkopf des Stators realisiert werden kann. Somit kann ein kompakter und bauraumsparender Stator mit integrierter Kühlung bereitgestellt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass eine durch den zumindest einen Wickelkopf-Kühlkanal und dem Dichtkörper gemeinsam gebildete Außenfläche bündig an einer Mantelfläche der hohlzylinderförmigen Grundform des Statorblechpakets anliegt. Mit anderen Worten ist eine Außenfläche des Statorblechpakets zusammen mit dem Wickelkopf-Kühlkanal Dichtkörper insgesamt zylinderförmig. Der Stator ist somit nicht aufgrund des Wickelkopfs oder des Wickelkopf-Kühlkanals an einer Stelle breiter als ein einer anderen Stelle, sondern gleichförmig breit. Hierdurch kann eine Montage des Stators besonders einfach gestaltet werden. Wird der Stator beispielsweise in einen Motorraum angeordnet, muss kein unüblich geformtes Aufnahmeteil wie beispielsweise ein Gehäuse vorgesehen werden, um den Stator samt dem Wickelkopf-Kühlkanal aufzunehmen, sondern es genügt ein einfach geometrisch geformtes Aufnahmeteil wie beispielsweise ein rohrförmliches Gehäuse. Somit ist der Stator auch bei einem Einbau weiterhin bauraumsparend und Produktions- und Montagekosten können gering gehalten werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Stator ein hohlzylinderförmiges Gehäuse aufweist. Das Gehäuse ist beispielsweise rohrförmig ausgebildet. Innerhalb des Gehäuses wird das Statorblechpaket mit dem Wickelkopf und dem Wickelkopf-Kühlkanal aufgenommen. Der Dichtkörper kann dann die beiden offenen Enden des hohlzylinderförmigen Gehäuses abdecken. Ein Innenradius des hohlzylinderförmigen Gehäuses kann dann einem Außenradius der hohlzylinderförmigen Grundform des Statorblechpakets gleichen. Der zumindest eine Wickelkopf-Kühlkanal ist dann durch eine Innenwand des Gehäuses verschlossen. Mit anderen Worten wird der zumindest eine Wickelkopf-Kühlkanal durch den Dichtkörper, das Statorblechpaket und dem Gehäuse gebildet. Werden die Stator-Kühlkanäle zum Teil durch Nuten entlang der Mantelfläche des Statorblechpakets gebildet, so kann das Gehäuse ebenfalls die Stator-Kühlkanäle abdecken. Mit anderen Worten sind dann die Stator-Kühlkanäle durch eine Außenfläche des Statorblechpakets und dem Gehäuse gebildet. Das rohrförmige Gehäuse bildet den Vorteil, dass er besonders kostengünstig und einfach herstellbar ist. Das Gehäuse kann beispielsweise durch Presspassung auf das Statorblechpaket angeordnet werden. Das Gehäuse weist im Vergleich zum Stand der Technik eine einfache geometrische Form auf, die beispielsweise durch ein Strangpressverfahren erstellt werden kann. Dadurch entfällt ein im Stand der Technik bekannter und vergleichsweise aufwändiger Gießprozess, der zur Herstellung eines Gehäuses für einen Stator mit Gehäuseeigenem Kühlsystem herangezogen wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform hierzu sieht vor, dass das Gehäuse zumindest eine jeweilige Öffnung und/oder zumindest ein jeweiliges Leitungselement zum Ein- und Auslassen eines Kühlmittels aufweist. Das Leitungselement ist zum Beispiel als ein Leitungsrohr ausgebildet. Die jeweilige Öffnung und/oder das jeweilige Leitungselement ist dazu ausgelegt, das Kühlmittel durch die Vielzahl von Stator-Kühlkanälen und dem zumindest einen Wickelkopf-Kühlkanal zu leiten. Mit anderen Worten wird das Kühlmittel durch zumindest ein Leitungselement und/oder durch zumindest eine Öffnung in den Wickelkopf-Kühlkanal und/oder in zumindest einen der Vielzahl von Stator-Kühlkanälen eingeführt. Ein weiteres Leitungselement und/durch eine weitere Öffnung wird dann das Kühlmittel aus einem jeweiligen Kühlkanal wieder hinaus geführt. Beispielsweise ist eine Öffnung und/oder Einleitungselement an demjenigen Bereich des Gehäuses angeordnet, welcher an dem Wickelkopf-Kühlkanal angrenzt. Beispielsweise weist der Stator 2 Wickelköpfe auf. Die zumindest eine Öffnung und/oder das zumindest eine Leitungselement kann dann das Kühlmittel an einem Wickelkopf-Kühlkanal des einen Wickelkopfs zuführen und an dem anderen Wickelkopf-Kühlkanal des anderen Wickelkopf wieder abführen. Durch die an den Wickelkopf-Kühlkanälen angebundenen Stator-Kühlkanäle kann dann das Kühlmittel von einem Wickelkopf-Kühlkanal zu dem anderen Wickelkopf-Kühlkanal fließen. Wird der Stator mit dem Gehäuse in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordnet, kann dann das zumindest eine Leitungselement und/oder die zumindest eine Öffnung an einen Kühlmittelaufbewahrungsbehälter oder an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen werden. Beispielsweise erfolgt die Verteilung des Kühlmittels innerhalb der einzelnen Kühlkanäle mittels einer Hydraulikpumpe. Somit wird ein Kreislauf des Kühlmittels durch den zumindest einen Wickelkopf-Kühlkanal und den Stator-Kühlkanälen realisiert, welcher besonders kompakt und abgedichtet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine umfasst einen ersten Schritt, bei welchem ein Statorblechpaket gefertigt wird, welches eine hohlzylinderförmige Grundform mit zumindest einer Stirnseite aufweist. Das Statorblechpaket wird derart gefertigt, dass es eine Vielzahl von Stator-Kühlkanäle ausbildet, dessen Längsrichtung sich jeweils parallel zu einer axialen Richtung der hohlzylinderförmigen Grundform des Statorblechpakets erstrecken. Beispielsweise werden Aussparungen durch die einzelnen Bleche des Statorblechpakets gebildet und/oder Aussparungen werden zwischen Nuten entlang einer Mantelfläche des Statorblechpakets zum Ausbilden der Stator-Kühlkanäle vorgesehen. In einem zweiten Schritt wird die Stator Wicklung derart um das Statorblechpaket gewickelt, dass die Stator Wicklung an der zumindest einen Stirnseite einen Wickelkopf bildet, welche sich aus der hohlzylinderförmigen Grundform des Statorblechpakets hinaus erstreckt.
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In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Dichtkörper um den zumindest einen Wickelkopf derart angeordnet, dass durch eine Außenfläche des Dichtkörpers zumindest eine Wand eines Wickelkopf-Kühlkanals gebildet wird. Dabei erstreckt sich der Wickelkopf-Kühlkanal parallel zu einer radialen Richtung der hohlzylinderförmigen Grundform des Statorblechpakets und entlang einer Außenumfangsfläche des Wickelkopfs. Der Dichtkörper ist ferner derart geformt, dass die Stator-Kühlkanäle jeweils mit dem Wickelkopf-Kühlkanal verbunden sind. Beispielsweise wird der Dichtkörper durch ein Einspritzen eines flüssig- und/oder schaumförmigen Materials, wie beispielsweise einem Epoxid, zumindest um den Wickelkopf herum gebildet, wobei das flüssige oder schaumförmige Material anschließend aushärtet bzw. verfestigt und somit die zumindest eine Wand des Wickelkopf-Kühlkanals bildet. Alternativ wird der Dichtkörper durch einen Dichtungsring aus beispielsweise einem Metall und/oder einen Kunststoff gebildet. Eine Außenfläche des Dichtungsrings kann dann die zumindest eine Wand des Wickelkopf-Kühlkanals bilden.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stators beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine Perspektivansicht eines schematisch dargestellten Stators mit einem Wickelkopf, einem System von Kühlkanälen mit aus Nuten gebildeten Stator-Kühlkanälen, zwei Dichtungsringen und einem Gehäuse;
- 2 eine Schnittansicht eines Wickelkopfbereichs des in 1 dargestellten Stators mit dem Gehäuse;
- 3 eine Schnittansicht eines Wickelkopfbereichs eines Stators mit im Innenraum eines Statorblechpakets verlaufenen Stator-Kühlkanälen;
- 4 eine teilgeschnittene Perspektivansicht eines teilweise dargestellten Stators mit einem Wickelkopf, einem System von Kühlkanälen mit im Innenraum eines Statorblechpakets verlaufenen Stator-Kühlkanälen und einem Dichtkörper;
- 5 eine Schnittansicht eines Wickelkopfbereichs des in 4 dargestellten Stators mit einem Gehäuse;
- 6 eine Schnittansicht eines Stators mit zwei Wickelköpfen, einem System von Kühlkanälen mit durch Nuten im Statorblechpaket gebildeten Stator-Kühlkanälen und einem Dichtkörper;
- 7 eine Schnittansicht eines Wickelkopfbereichs des in 6 dargestellten Stators mit einem Gehäuse;
- 8 eine Schnittansicht des in 6 dargestellten Stators mit einem Gehäuse und 2 Leitungselementen;
- 9 eine Perspektivansicht eines schematisch dargestellten Stators mit zwei Wickelköpfen, einem System von Kühlkanälen mit im Innenraum eines Statorblechpakets verlaufenen Stator-Kühlkanälen und einem Leitungselement;
- 10 eine Perspektivansicht des in 9 dargestellten Stators mit einem Gehäuse;
- 11 eine Perspektivansicht eines schematisch dargestellten Kühlmittelkreislaufs.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in einer Perspektivansicht schematisch ein Stator 10 dargestellt, welcher ein Statorblechpaket 12 mit einer Vielzahl von Nuten aufweist, deren Längsrichtung sich jeweils parallel zu einer axialen Richtung z des hohlzylinderförmigen Statorblechpakets 12 erstrecken. Die Vielzahl von Nuten sind an einer Mantelfläche des hohlzylinderförmigen Statorblechpakets 12 ausgebildet und hier dargestellt beispielsweise gleichmäßig voneinander beabstandet. Jede Nut formt einen Stator-Kühlkanal 14, welcher von einem Kühlmittel durchströmt wird. Beispielsweise ist das Kühlmittel Wasser oder Öl. In einem hier nicht dargestellten Innenraum des hohlzylinderförmigen Statorblechpakets 12 ist eine Statorwicklung 16 gewickelt, welcher an einer Stirnseite des Statorblechpakets 12 einen Wickelkopf 18 bildet. Der Wickelkopf 18 setzt sich beispielsweise aus einer Vielzahl von Spulen zusammen, die durch ein Kabelelement der Statorwicklung 16 gebildet werden. Der Wickelkopf 18 ragt an der Stirnseite in axialer Richtung z aus dem Statorblechpaket 12 heraus. In radialer Richtung des Statorblechpakets 12 ist eine Breite des Wickelkopfs jedoch nicht größer als diejenige des Statorblechpakets 12. Hier dargestellt ist lediglich ein Wickelkopf 18, wobei an der gegenüberliegenden Stirnseite des Statorblechpakets 12 ein weiterer Wickelkopf 18 angeordnet sein kann, welcher in der Darstellung aufgrund der Perspektive verdeckt ist.
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In radialer Richtung des Statorblechpakets 12 erstreckt sich an jeweils an einer Stirnseite ein Wickelkopf-Kühlkanal 20, welcher an den Stator-Kühlkanälen 14 angebunden ist, sodass das Kühlmittel zwischen den einzelnen Stator-Kühlkanälen 14 und den Wickelkopf-Kühlkanälen 20 fließen kann. Ein jeweiliger Wickelkopf-Kühlkanal 20 schließt sich unmittelbar an einem Ende des Statorblechpakets 12 in axialer Richtung z an und erstreckt sich entlang einer Außenumfangsfläche des jeweiligen Wickelkopfs 18.
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Um den jeweiligen Wickelkopf-Kühlkanal 20 von den Kabelelementen des Wickelkopfs 18 abzudichten, ist jeweils einen Dichtkörper 22 vorgesehen, welcher - in 1 jedoch nicht dargestellt, sondern nur angedeutet - zwischen dem Wickelkopf 18 und dem Wickelkopf-Kühlkanal 20 angeordnet wird. Der Dichtkörper 22 weist beispielsweise die Form eines Dichtungsrings auf, dessen Innenumfangsfläche auf die Außenumfangsfläche des Wickelkopfs 18 angeordnet wird, wobei die Außenumfangsfläche des Dichtungsrings eine Wand des Wickelkopf-Kühlkanals 20 bildet. Die Außenumfangsfläche des Dichtungsrings kann sich in axialer Richtung z in gleicher Länge wie der Wickelkopf 18 erstrecken. An dem Dichtungsring kann sich unmittelbar ein weiterer Dichtungsring bündig anschließen, der einen größeren Außenradius aufweist, sodass eine weitere Wand des Wickelkopf-Kühlkanals 20 durch diesen weiteren Dichtungsring gebildet wird. Mit anderen Worten bilden sich zwei Wände des Wickelkopf-Kühlkanals 20 durch eine durch den Dichtkörper 22 gebildete Mulde entlang der Außenfläche. In 1 ist ebenfalls ein Gehäuse 24 des Stators 10 dargestellt, welches ebenfalls die Form eines Hohlzylinders aufweist. Beispielweise ist das Gehäuse 24 als ein Rohrstück ausgebildet.
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Die genaue Anordnung des Dichtkörpers 22 an dem Wickelkopf-Kühlkanal 20 ist in 2 in einer Schnittansicht dargestellt. Zu sehen ist hier ein Ausschnitt eines Stator-Kühlkanals 14, der übergangslos in den Wickelkopf-Kühlkanal 20 übergeht, wobei sich der Stator-Kühlkanal 14 entlang einer Nut im Statorblechpaket 12 erstreckt. Ein Innenradius des Dichtkörpers 22 entspricht einem Außenradius des Wickelkopfs 18, sodass der Dichtkörper 22 den Wickelkopf 18 in radialer Richtung umschließt. Dabei gibt die Form des Dichtkörpers 22 die Form des Wickelkopf-Kühlkanals 20 vor. Das Gehäuse 24 ist um den Stator 10 derart angeordnet, dass eine Innenwand des Gehäuses 24 den Stator-Kühlkanal 14 und den Wickelkopf-Kühlkanal 20 umschließt. Hierzu ist es wesentlich, dass das Statorblechpaket 12, der Stator-Kühlkanal, der Dichtkörper 22 und der Wickelkopf 18 in radialer Richtung bündig aneinander angrenzen, sodass das hohlzylinderförmige Gehäuse 24 den Stator 10 mit dem Statorblechpaket 12, dem Stator-Kühlkanal 14 und dem Dichtkörper 22 ebenfalls bündig umschließt. An der Stirnseite des Stators 10 ist der Wickelkopf-Kühlkanal 20 durch den weiteren Dichtungsring mit dem größeren Außenradius begrenzt. Der Wickelkopf-Kühlkanal 20 wird hier somit durch insgesamt vier Seiten begrenzt: zwei Seiten werden durch den Dichtkörper 22 begrenzt, eine weitere Seite durch das Gehäuse 24 und eine letzte Seite durch abwechselnd das Statorblechpaket 12 oder einem Stator-Kühlkanal 14.
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In 3 ist ein ähnlich wie in 2 dargestelltes System aus einem Stator 10 mit einem Wickelkopf-Kühlkanal 20, einem Dichtkörper 22 und einem Gehäuse 24 abgebildet. Das in 3 dargestellte System unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten System dahingehend, dass die Stator-Kühlkanäle durch Aussparungen innerhalb des Statorblechpakets 12 gebildet werden. Mit anderen Worten ist das Statorblechpaket 12 derart zusammengestapelt, dass sich zwischen einzelnen Blechen des Statorblechpakets 12 in axialer Richtung z Aussparungen bilden, durch die das Kühlmittel fließen kann. Der Wickelkopf-Kühlkanal 20 ist in diesem Fall in einer Querschnittansicht L-förmig, sodass die einzelnen Stator-Kühlkanäle 14 jeweils mit dem Wickelkopf-Kühlkanal 20 verbunden sind. Der Dichtkörper 22 erstreckt sich hier somit zusätzlich auch in einen Zwischenraum zwischen dem Wickelkopf 18 und dem Statorblechpaket 12 in radialer Richtung zu dem Statorblechpaket 12 hinein.
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4 zeigt in einer Perspektivansicht teilweise einen Stator 10, welcher ebenfalls wie in 3 Stator-Kühlkanäle 14 entlang von Aussparungen innerhalb des Statorblechpakets 12 ausbildet. Die Aussparungen erstrecken sich in ihrer Längsrichtung entlang der axialen Richtung z des hohlzylinderförmigen Statorblechpakets 12 und sind parallel zueinander angeordnet. Die Vielzahl von Stator-Kühlkanälen 14 sind hier ebenfalls wie bei dem in 1 dargestellten Stator 10 in gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet. Die Aussparungen sind hier rohrförmig ausgebildet.
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Weiterhin ist in 4 schematisch die Statorwicklung 16 im Innenraum des Statorblechpakets 12 dargestellt. Der sich durch die Statorwicklung 16 an einer Stirnseite des Statorblechpakets 12 bildende Wickelkopf 18 ragt in axialer Richtung z aus dem Statorblechpaket 12 hervor. Der Außenradius des Wickelkopfs 18 ist kleiner als der Außenradius des Statorblechpakets 12. Zwischen dem Wickelkopf 18, der Statorwicklung 16 und dem Statorblechpaket 12 ist - hier nur teilweise dargestellt - ein Dichtkörper 22 eingefüllt, welcher zunächst in flüssiger Form oder als Schaum auf das Statorblechpaket 12 aufgespritzt wird. Beispielsweise ist der Dichtkörper 22 durch ein Epoxid oder einem Epoxidharz gebildet. Nach Auftragen des Epoxids verfestigt sich dieser, wobei die Außenfläche des Epoxids entlang des Wickelkopfs 18 zumindest eine Wand des Wickelkopf-Kühlkanals 20 bildet.
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Der in 4 dargestellte Dichtkörper 22 ist in 5 in einer Nahansicht eines Querschnitts des Wickelkopfs 18 erläuternd dargestellt. In der Querschnittansicht ist zu erkennen, wie die Statorwicklung 16 sich an der Stirnseite des Stators 10 zu einem Wickelkopf 18 formt, der in axialer Richtung z aus dem Statorblechpaket 12 hinausragt. Innerhalb des Statorblechpakets 12 ist hier dargestellt eine rohrförmige Aussparung angeordnet, die einen Stator-Kühlkanal 14 bildet. Der aus dem Statorblechpaket 12 herausragende Teil des Wickelkopfs 18 ist von allen Seiten von dem Dichtkörper 22 umschlossen, wobei in axialer Richtung z des Statorblechpakets 12 zwischen diesem und dem Dichtkörper 22 eine Aussparung für den Wickelkopf-Kühlkanal 20 vorgesehen ist. Diese erstreckt sich in einer Längsrichtung entlang einer Umfangsrichtung des Wickelkopfs 18 und in einer Querrichtung entlang der axialen Richtung z. Eine Außenseite des Wickelkopfs-Kühlkanals 20 und des Dichtkörpers 22 grenzt bündig an einer Mantelfläche des Statorblechpakets 12 an. Das Gehäuse 24 liegt somit mit seiner Innenseite komplett auf dem Statorblechpaket 12 auf und bildet eine Wand des Wickelkopf-Kühlkanals 20. Der Wickelkopf-Kühlkanal 20 ist ebenfalls wie in 3 dargestellt L-förmig.
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In 6 ist eine Hälfte eines Stators 10 schematisch dargestellt. Dabei ist das Statorblechpaket 12 ähnlich wie in 1 mit Nuten, die für Stator-Kühlkanäle 14 vorgesehen sind, ausgebildet. Weiterhin weist der Stator 10 wie vorhergehend beschrieben an jeder Stirnseite jeweils einen Wickelkopf 18 auf. Der Dichtkörper 22 ist wie in 4 und 5 beschriebenen durch ein verfestigtes Schaumaterial gebildet. Der Dichtkörper 22 umschließt an den jeweiligen Stirnseiten den Wickelkopf 18 entlang der radialen Richtung und der axialen Richtung z. Weiterhin schließt der Dichtkörper 22 das Statorblechpaket 12 auch in dessen Innenraum ab.
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Der in 6 dargestellten Stator 10 ist in 7 noch einmal in einer Nahansicht mit einem Gehäuse 24 dargestellt. Die Außenfläche des Stators 10 ist durch das Statorblechpaket 12, die Stator-Kühlkanäle 14, die Wickelkopf-Kühlkanäle 20 sowie den Dichtkörper 22 gebildet, wobei diese Außenfläche des Stators 10 weiterhin zylinderförmig ist. Somit kann der Stator 10 in das hohlzylinderförmige Gehäuse 24 aufgenommen werden. Ein Innenradius des Gehäuses 24 entspricht dabei dem Außenradius des Stators 10. Das Gehäuse 24 bildet also in diesem Fall nicht nur eine Wand des Wickelkopf-Kühlkanals 20, sondern auch eine Wand der jeweiligen Stator-Kühlkanäle 14.
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Um einen Zulauf und einen Ablauf des Kühlmittels, welcher durch die Wickelkopf-Kühlkanäle 20 und die Stator-Kühlkanäle 14 fließen soll, zu verwirklichen, sind an dem Gehäuse 24 Leitungselemente 26 vorgesehen. Dies ist in 8 schematisch durch eine Abbildung einer Schnittansicht eines Stators 10 dargestellt, wobei der Stator 10 hier beispielsweise wie in 4 beschrieben aufgebaut ist. Die hier beschriebenen Leitungselemente 26 können jedoch auch für Statoren 10 wie in den 1 oder 6 beschriebenen Ausführungsformen realisiert werden. Hier sind beispielsweise zwei Leitungselemente 26 an dem Gehäuse 24 vorgesehen. Die Leitungselemente 26 sind beispielsweise als rohrförmige Stücke ausgebildet, welche jeweils durch eine Öffnung in der Gehäusewand des Gehäuses 24 mit den Kühlkanälen 14, 20 verbunden sind. Beispielsweise ist ein Leitungselement 26 mit einem Wickelkopf-Kühlkanal 20 verbunden, und ein weiteres Leitungselement 26 mit einem weiteren Wickelkopf-Kühlkanal 20 verbunden. Das eine Leitungselement 26 kann einen Zulauf des Kühlmittels bilden, während das andere Leitungselement 26 einen Ablauf des Kühlmittels bildet. Es können aber auch mehrere Leitungselemente 26 für den jeweiligen Ablauf oder Zulauf des Kühlmittels vorgesehen sein. Das Kühlmittel kann dann durch ein Zulauf-Leitungselement 26 den einen Wickelkopf-Kühlkanal 20 durchströmen und von dort aus über die Verbindung zu den einzelnen Stator-Kühlkanälen 14 weitergeleitet werden, sodass das Kühlmittel schließlich auch durch den an der gegenüberliegenden Stirnseite angeordneten Wickelkopf-Kühlkanal 20 strömt. An diesem zweiten Wickelkopf-Kühlkanal 20 kann dann über einen Ablauf-Leitungselement 26 das Kühlmittel wieder hinaus strömen. Bei der Anordnung dieses Stators 10 in beispielsweise einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs können die Leitungselemente 26 an einen Kühlmittel-Kreislauf angeschlossen werden. Beispielsweise wird der Kreislauf durch eine Hydraulikpumpe und/oder einem Motorantrieb realisiert. Das Zulauf-Leitungselement 26 kann in geographischer Hinsicht unterhalb des Ablauf-Leitungselements 26 angeordnet sein, sodass verhindert werden kann, dass sich Luft innerhalb der Kühlkanäle 14, 20 anstaut.
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In 9 ist ein Stator 10 perspektivisch dargestellt, welcher ebenfalls wie in den 6, 7 und 8 einen Dichtkörper 22 aus einem Schaummaterial wie beispielsweise Epoxid umfasst und ebenfalls den Wickelkopf 18 umschließt. Der Stator 10 weist wie in 4 und 8 dargestellt Stator-Kühlkanäle 14 auf, die durch Aussparungen innerhalb des Statorblechpakets 12 gebildet sind. Schematisch dargestellt ist ein Leitungselement 26, welches wie in 8 beschrieben beispielsweise als ein Rohrstück ausgebildet ist und an dem Gehäuse 24 durch eine Öffnung mit dem Wickelkopf-Kühlkanal 20 verbunden ist. Ein weiteres Leitungselement 26 kann an der hier nicht dargestellten gegenüberliegenden Seite des Stators 10 angeordnet sein, um somit einen Zulauf und einen Ablauf des Kühlmittels zu realisieren.
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10 zeigt eine Außenansicht eines Stators 10, welcher wie vorhergehend beschrieben mit einem Schaumaterial als Dichtkörper 22 an der Stirnseite umschlossen ist. Ferner ist der Stator 10 durch ein Gehäuse 24, welches wie in den 8 und 9 beschrieben mit zwei Leitungselementen 26 versehen ist, umschlossen. Der Stator 10 kann wie in den vorherigen Figuren beschrieben Stator-Kühlkanäle 14 aufweisen, die entweder durch Nuten entlang einer Mantelfläche des Statorblechpakets 12 oder durch Aussparungen innerhalb des Statorblechpakets 12 gebildet werden. Weiterhin weist der Stator 10 den wie in den vorhergehenden Figuren beschrieben Wickelkopf-Kühlkanal 20 auf. Von dieser Außenansicht des Stators 10 ist zu sehen, dass dieser besonders kompakt bauraumsparend gebaut ist, sowie in allen Raumrichtungen hin abgedichtet ist.
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In 11 ist lediglich der Kühlmittel-Kreislauf dargestellt, wie er beispielsweise bei dem in 9 beschriebenen Stator 10 realisiert ist: der Stator 10 weist zwei ringförmige Wickelkopf-Kühlkanäle 20 auf, die parallel zueinander angeordnet sind und über eine Vielzahl von Stator-Kühlkanälen 14 miteinander verbunden sind. Dabei erstrecken sich die Stator-Kühlkanäle 14 in einer senkrechten Richtung zu einer Ringfläche der Wickelkopf-Kühlkanäle 20. Über zwei Leitungselemente 26 kann das Kühlmittel durch die zwei Wickelkopf-Kühlkanäle 20 und den Stator-Kühlkanälen 14 hinzu- und wieder abfließen.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Stator mit einem integrierten Kühlsystem bereitgestellt werden kann, das besonders effizient und bauraumsparend den Stator kühlt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004048461 A1 [0004]
- DE 102012218696 A1 [0005]
- DE 19716759 A1 [0006]
