DE102018216300A1

DE102018216300A1 - Stator für eine elektrische Maschine, elektrische Maschine sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018216300A1
Application number: DE102018216300.6A
Authority: DE
Inventors: Jens Richter; Andreas Huber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2020-03-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs aufweisend:- ein Blechpaket (2) mit einer Außenseite (5) und einer Wicklungsnuten (6) aufweisenden Innenseite (4),- Wicklungen (9), welche in den Wicklungsnuten (6) angeordnet sind und an Stirnseiten (7, 8) des Blechpakets (2) Wickelköpfe (10) ausbilden, und- einen Kühlkäfig (11) mit einem Kühlring (12) zum Anordnen an einer ersten Stirnseite (7) des Stators (2) sowie mit axial erstreckenden, in Umfangsrichtung (U) an dem Kühlring (12) verteilt angeordneten, fluiddicht mit dem Kühlring (12) verbundenen Kühlkanälen (16), wobei der Kühlkäfig (11) axial auf das Blechpaket (2) aufsteckbar ist, wobei im aufgesteckten Zustand der Kühlring (12) den Wickelkopf (10) an der ersten Stirnseite (7) radial umschließt und die Kühlkanäle (16) an der Außenseite (5) des Blechpakets (2) angeordnet sind. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfah rzeug.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs aufweisend ein hohlzylinderförmiges Blechpaket mit einer einem Hohlraum zum Aufnehmen eines Rotors zugewandten Innenseite und einer Außenseite, wobei die Innenseite axial erstreckende, in Umfangsrichtung verteilte Wicklungsnuten aufweist. Außerdem umfasst der Stator Wicklungen, welche in den Wicklungsnuten angeordnet sind und an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets Wickelköpfe ausbilden, und einen zylinderförmigen Kühlkäfig mit einem Kühlring zum Anordnen an einer ersten der Stirnseiten des Stators sowie mit axial erstreckenden, in Umfangsrichtung an dem Kühlring verteilt angeordneten, fluiddicht mit dem Kühlring verbundenen Kühlkanälen, wobei der Kühlring dazu ausgelegt ist, Kühlmittel in die Kühlkanäle einzuleiten und aus den Kühlkanälen aufzunehmen, und die Kühlkanäle dazu ausgelegt sind, das Kühlmittel ausgehend von dem Kühlring an dem Blechpaket entlang und zurück zu dem Kühlring zu leiten. 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 üblicherweise einen Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Stator weist ein hohlzylinderförmiges Blechpaket auf, an dessen Innenseite Wicklungsnuten mit Wicklungen angeordnet sind. 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 2015 012 913 A1 eine Kühleinrichtung aufweisend mehrere Kühlrohre mit jeweils einem ersten und einem zweiten Ende. Die Kühlrohre sind an ihrem ersten Ende starr mit einem Rohrträger verbunden, wobei die ersten Enden der Kühlrohre jeweils einen Kühlmittelzufluss, über den Kühlmittel durch den Rohrträger zuführbar ist, und einen Kühlmittelabfluss, über den Kühlmittel durch den Rohrträger abführbar ist, aufweisen und die zweiten Enden der Kühlrohre jeweils frei enden und verschlossen sind. Die Kühlrohre weisen jeweils einen ersten Kühlmittelkanal, der sich von dem Kühlmittelzufluss zu dem zweiten Ende erstreckt, und einen zweiten Kühlmittelkanal, der sich von dem zweiten Ende zu dem Kühlmittelabfluss erstreckt, auf. Die Kühlrohre werden dabei an einer dem Rotor zugewandten Seite des Stators gemeinsam mit den Wicklungen in den Wicklungsnuten angeordnet. Dabei muss jedes Kühlrohr mit zwei Kühlmittelkanälen, welche einen Hinfluss und eine Rückfluss bilden, ausgebildet sein, wodurch die Kühleinrichtung besonders aufwändig zu fertigen ist. Kühlkanäle in den Wicklungsnuten des Stators beeinflussen außerdem in unerwünschter Weise eine Performance der elektrischen Maschine. Darüber hinaus benötigen die Kühlrohre radialen Bauraum am Stator, was zusätzlich zu einer Gewichtszunahme des Stators führt. Zudem ist eine Materialauswahl für den Kühlkäfig aufgrund von elektromagnetischen Effekten im Bereich der Wicklungsnuten eingeschränkt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente und leicht zu fertigende Kühlung für einen Stator einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
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 weist ein hohlzylinderförmiges Blechpaket mit einer einem Hohlraum zum Aufnehmen eines Rotors zugewandten Innenseite und einer der Innenseite radial gegenüberliegenden Außenseite auf, wobei die Innenseite axial erstreckende, in Umfangsrichtung verteilte Wicklungsnuten aufweist. Außerdem weist der Stator Wicklungen, welche in den Wicklungsnuten angeordnet sind und an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets Wickelköpfe ausbilden, und einen zylinderförmigen Kühlkäfig mit einem Kühlring zum Anordnen an einer ersten der Stirnseiten des Stators sowie mit axial erstreckenden, in Umfangsrichtung an dem Kühlring verteilt angeordneten und fluiddicht mit dem Kühlring verbundenen Kühlkanälen auf. Der Kühlring ist dazu ausgelegt, Kühlmittel in die Kühlkanäle einzuleiten und aus den Kühlkanälen aufzunehmen, und die Kühlkanäle sind dazu ausgelegt, das Kühlmittel ausgehend von dem Kühlring an dem Blechpaket entlang und zurück zu dem Kühlring zu leiten. Der Kühlkäfig ist axial auf das Blechpaket aufsteckbar, wobei im aufgesteckten Zustand der Kühlring den Wickelkopf an der ersten Stirnseite radial umschließt und die Kühlkanäle anliegend an der Außenseite des Blechpakets angeordnet sind.
Zur Erfindung gehört außerdem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Stator und einem Rotor, welcher in dem Hohlraum des Statorblechpakets 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 hohlzylinderförmige Blechpaket sowie die elektrischen Wicklungen auf. Das hohlzylinderförmige Blechpaket weist dabei zwei axial gegenüberliegende Stirnseiten auf. In dem durch das hohlzylinderförmige 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 einen Wickelkopf aus. Die Wicklungen des Stators können beispielsweise als Formstabwicklungen oder Runddrahtwicklungen ausgebildet sein.
Der Kühlkäfig, welcher mit dem Blechpaket zusammengesteckt werden kann, kann mit einem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine, welcher ein Kühlmittel bereitstellt, gekoppelt werden und ist somit zum Kühlen des Stators im Betrieb der elektrischen Maschine ausgebildet. Das Kühlmittel kann beispielsweise ein Kühlfluid sein. Der Kühlkäfig weist den Kühlring und die Kühlkanäle auf. Der Kühlring ist ein toroidförmiger Hohlkörper, in dessen Innenraum das von dem Kühlkreislauf bereitgestellte Kühlmittel entlang der ersten Stirnseite des Blechpaktes, also entlang der Umfangsrichtung, geleitet werden kann. Der Kühlring kann beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Im angeordneten Zustand des Kühlkäfigs an dem Blechpaket überlappt der Kühlring zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig, mit der ersten Stirnseite und ist radial benachbart zu dem Wickelkopf an der ersten Stirnseite angeordnet. Zum vollständigen Überlappen entspricht ein Außendurchmesser des Kühlrings höchstens einem Außendurchmesser des Blechpakets. Der Kühlring und der Wickelkopf sind somit konzentrisch zueinander angeordnet. Durch diese nahe Anordnung des Kühlrings am Wickelkopf, an welchem im Betrieb der elektrischen Maschine eine besonders starke Hitzeentwicklung in Form von sogenannten Hotspots auftritt, kann dieser besonders effizient gekühlt werden. Hierdurch kann eine Dauerleitung der elektrischen Maschine in statorkritischen Betriebspunkten gesteigert werden. Im Falle, dass der Außendurchmesser des Kühlrings höchstens so groß wie der Außendurchmesser des Blechpakets ist, ragt der Kühlring nicht seitlich über das Blechpaket hinaus. In radialer Richtung weist der Stator somit einen besonders geringen Bauraumbedarf auf.
Die Kühlkanäle können an Öffnungen in einer der ersten Stirnseite zugewandten Unterseite des Kühlrings angeschlossen sein. Über die Öffnungen kann das Kühlmittel in den jeweiligen Kühlkanal eintreten bzw. aus dem jeweiligen Kühlkanal austreten. Die Kühlkanäle sind dabei an der Außenseite des Blechpakets, also an der den Wicklungen und dem Rotor abgewandten Seite des Blechpakets, angeordnet und umschließen die Außenseite des Blechpakets käfigartig. Die Kühlkanäle liegen also in radialer Richtung weiter außen als die in den Wicklungsnuten angeordneten Wicklungen. Die Kühlkanäle können dabei beispielsweise äquidistant zueinander an dem Kühlring angeordnet und sind somit über einen Außenumfang des Blechpakets gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Kühlkanäle sind dazu ausgelegt, das Kühlmittel bidirektional in axialer Richtung von dem Kühlring an der ersten Stirnseite des Blechpakets in Richtung der zweiten Stirnseite des Blechpakets und wieder zurück zu dem Kühlring zu leiten. Durch das Anordnen der Kühlkanäle an der Außenseite des Blechpakets ergibt sich der Vorteil, dass die Anordnung und Gestaltung der Kühlung des Stators keinen Einfluss auf die Performance der elektrischen Maschine haben. Außerdem können die Kühlkanäle besonders flexibel mit beliebiger Form und beliebigem Abstand zueinander ausgebildet werden und sind nicht an die Abstände und Form der Wicklungsnuten gebunden.
Zum Anordnen des Kühlkäfigs an dem Blechpaket kann der Kühlkäfig mit den Kühlkanälen voraus axial auf das Blechpaket aufgesteckt werden, wobei beim Aufstecken die Kühlkanäle so lange an der Außenseite des Blechpakets entlang geschoben werden, bis der Kühlring an der ersten Stirnseite angeordnet ist. In diesem Zustand liegen die Kühlkanäle an der Außenseite des Blechpakets an. Der Kühlkäfig ist als ein aufsteckfertiges Bauteil ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Kühlring und die Kühlkanäle vor dem Aufstecken bereits fluiddicht zusammengefügt sind. Die Dichtungsstellen bzw. Verbindungsstellen zwischen dem Kühlring und den Kühlkanälen können beispielsweise mittels Klebung, Pressung, Löten, Schweißverbindung, Dichtungskörpern oder dergleichen abgedichtet werden. Der Kühlring und die Kühlkanäle können also insbesondere nicht mehr zerstörungsfrei voneinander gelöst werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Dichtungsstellen zwischen dem Kühlring und den Kühlkanälen bereits vor dem Anordnen des Kühlkäfigs an dem Blechpaket auf ihre Dichtigkeit hin überprüft werden können. Darüber hinaus kann der Kühlkäfig durch die aufsteckfertige Ausbildung als Ganzes, in wenigen Montageschritten an dem Blechpaket angeordnet werden.
Vorzugsweise ist der Kühlkäfig aus einem Metall, insbesondere Aluminium, gebildet. Durch das Anordnen der Kühlkanäle an der Außenseite und damit beabstandet zu den Wicklungen kann Metall als Material des Kühlkäfigs verwendet werden, welches ein geringes Gewicht sowie eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Außerdem kann Metall besonders leicht bearbeitet werden, sodass der Kühlkäfig mit bekannten Fertigungstechnologien gefertigt werden kann.
Besonders bevorzugt weist die Außenseite des Stators axial erstreckende, in Umfangsrichtung verteilte Kühlungsnuten auf, in welchen die Kühlkanäle des Kühlkäfigs im aufgesteckten Zustand auf das Blechpaket angeordnet sind. Das Blechpaket weist also an der Innenseite die Wicklungsnuten zum Aufnehmen der Wicklungen und an der Außenseite die Kühlungsnuten zum Aufnehmen der Kühlkanäle auf. Anzahl, Form und Abstand der Wicklungsnuten können dabei unterschiedlich zu Anzahl, Form und Abstand der Kühlungsnuten sein. Durch das Anordnen der Kühlkanäle in den Kühlungsnuten kann eine radiale Breite des Stators in vorteilhafter Weise besonders gering gehalten werden. Dabei ist eine radiale Breite der Kühlkanäle insbesondere höchstens so groß wie eine radiale Tiefe der Kühlungsnuten. So kann eine im Wesentlichen glatte Außenkontur der Außenseite des Blechpakets gebildet werden. Über seine zylindrische Außenkontur kann der Stator beispielsweise in vorteilhafter Weise form- oder kraftschlüssig, beispielsweise mittels einer Schraublösung oder einem Querpressverband, in einem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt werden. Auch gehäuselose Konzepte mit Lagerschilden für die Rotorlagerung an den Stirnseiten des Blechpakets sind mit einem solchen Kühlkonzept problemlos möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Kühlkanäle U-förmig ausgebildet. Sie weisen einen mit dem Kühlring verbundenen, axial erstreckenden Hinflussabschnitt, einen mit dem Kühlring verbundenen, axial erstreckenden und in Umfangsrichtung zu dem Hinflussabschnitt beabstandeten Rückflussabschnitt und einen den Hinflussabschnitt und den Rückflussabschnitt verbindenden Umlenkabschnitt auf. Der Hinflussabschnitt ist dazu ausgelegt, das von dem Kühlring bereitgestellte Kühlmittel aufzunehmen und zu dem Umlenkabschnitt zu leiten, und der Rückflussabschnitt ist dazu ausgelegt, das über den Umlenkabschnitt bereitgestellte Kühlmittel zurück zu dem Kühlring zu leiten. Die Kühlkanäle sind also als U-förmig gebogene Kühlrohre ausgebildet. Die Kühlkanäle können beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Der Hinflussabschnitt und der Rückflussabschnitt sind dabei längliche, zueinander beabstandete Kanalbereiche, welche das Kühlmittel axial entlang der Außenseite des Blechpakets leiten können. Über den Umlenkabschnitt kann das Kühlmittel dabei von dem Hinflussabschnitt in den Rückflussabschnitt geleitet werden. Derart ausgebildete Kühlkanäle können besonders einfach hergestellt werden. Die Kühlkanäle können einstückig, beispielsweise durch Biegen eines Kühlrohrs, ausgebildet sein. Es kann aber auch sein, dass ein Kühlkanal während seiner Herstellung aus mehreren Einzelteilen fluiddicht zu einem einteiligen Kühlkanal zusammengefügt wird. Die Kühlkanäle können beispielsweise mit dem Kühlring zusammengesteckt werden und vor dem Anordnen des Kühlkäfigs am Blechpaket fluiddicht mit dem Kühlring verbunden werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass in axialer Richtung eine Länge des Hinflussabschnitts und des Rückflussabschnitts einer Höhe des Blechpakets entspricht und somit der Umlenkabschnitt an einer der ersten Stirnseite axial gegenüberliegenden zweiten Stirnseite über das Blechpaket hinausragt. Insbesondere ist der Umlenkabschnitt radial nach innen gebogen und somit radial zu dem an der zweiten Stirnseite des Blechpakets gebildeten Wickelkopf benachbart. Die Umlenkabschnitte umschließen den Wickelkopf an der zweiten Stirnseite des Blechpakets also radial. Die Umlenkabschnitte sind also überlappend mit der zweiten Stirnseite und konzentrisch zu dem an der zweiten Stirnseite überstehenden Wickelkopf angeordnet. Durch das Leiten des Kühlmittels über eine gesamte Höhe des Blechpakets sowie zu den Wickelköpfen kann eine besonders effiziente Kühlung des Stators erreicht werden.
Vorzugsweise weist das Blechpaket an der Außenseite Kühlungsnuten für die Hinflussabschnitte und Kühlungsnuten für die Rückflussabschnitte auf. Die Hinflussabschnitte und die Rückflussabschnitte werden also in den Kühlungsnuten angeordnet. Der Hinflussabschnitt leitet das Kühlmittel in der Kühlungsnut von der ersten Stirnseite bis zur zweiten Stirnseiten, wo es über den, über die zweite Stirnseite hinausragenden Umlenkabschnitt in den Rückflussabschnitt eingeleitet wird. Der Rückflussabschnitt leitet das Kühlmittel von der zweiten Stirnseite zurück zur ersten Stirnseite.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die den Umlenkabschnitt aufweisenden Kühlkanäle zum axialen Aufstecken des Kühlkäfigs auf das Blechpaket und zum Vergrößern eines Innendurchmessers des Kühlkäfigs im Bereich der Kühlkanäle beim Aufstecken reversibel radial nach außen biegbar. Dazu können der Hinflussabschnitt und der Rückflussabschnitt federnd mit dem Kühlring verbunden sein. Beispielsweise können die Enden des Hinflussabschnitts und des Rückflussabschnitts, welche mit dem Kühlring verbunden sind, eine gebogene Form aufweisen. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die über die jeweiligen Umlenkabschnitte verbundenen Hinflussabschnitte und Rückflussabschnitte im aufgesteckten Zustand in jeweiligen Kühlungsnuten im Blechpaket angeordnet werden sollen und/oder wenn der Umlenkabschnitt radial nach innen gebogen ist. In diesem Fall muss nämlich der Innendurchmesser des Kühlkäfigs im Bereich der Kühlkanäle für das Aufstecken auf das Blechpaket vergrößert werden, um im aufgesteckten Zustand des Kühlkäfigs ein Anliegen der Kühlkanäle an der Außenseite des Blechpakets zu ermöglichen. Sobald der Kühlkäfig vollständig und bestimmungsgemäß auf das Blechpaket aufgesteckt ist, können die nach außen gebogenen Kühlkanäle radial nach innen in ihre Ausgangsform zurückkehren und dabei beispielsweise in die Kühlungsnuten „springen“ und/oder die Umlenkabschnitte überlappend mit der zweiten Stirnseite anordnen.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kühlring einen beispielsweise ringförmigen Zuflussabschnitt, welcher mit einem Zuflussanschluss des Kühlrings fluidisch gekoppelt ist, und einen beispielsweise ringförmigen Abflussabschnitt auf, welcher mit einem Abflussanschluss des Kühlrings fluidisch gekoppelt ist, wobei die Hinflussabschnitte der Kühlkanäle mit dem Zuflussabschnitt fluidisch verbunden sind und die Rückflussabschnitte der Kühlkanäle mit dem Abflussabschnitt fluidisch verbunden sind. Der Zuflussanschluss und der Ablaufanschluss des Kühlrings bilden einen Kühlmittelanschluss, welcher mit dem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine gekoppelt werden kann. Die Anschlüsse können beispielsweise als Stutzen ausgebildet sein, welche beispielsweise axial von dem Kühlring abstehen. Solche Stutzen können besonders einfach mit Kühlmittelleitungen des Kühlkreislaufs verbunden werden. Der Zuflussabschnitt leitet dabei das Kühlmittel entlang der ersten Stirnseite von dem Zuflussanschluss zu den Hinflussabschnitten der Kühlkanäle. Der Abflussabschnitt nimmt das Kühlmittel aus den Rückflussabschnitten der Kühlkanäle wieder auf und leitet es zu dem Abflussanschluss. So kann gewährleistet werden, dass sämtliche Bereiche des Blechpakets einheitlich gekühlt werden.
Bevorzugt weist der Stator eine das Blechpaket mit den Wicklungen und den Kühlkäfig thermisch koppelnde Vergussmasse auf, welche zumindest zwischen dem Kühlkäfig und den Wickelköpfen angeordnet ist. Beispielsweise kann der Stator vollvergossen sein, sodass durch die Vergussmasse der Kühlkäfig auch mechanisch mit dem Blechpaket verbunden ist. Durch die Vergussmasse kann eine thermische Ankopplung des Kühlkäfigs an die Wickelköpfe erreicht werden. Mittels der Vergussmasse kann beispielsweise der Kühlring mit dem Wickelkopf an der ersten Stirnseite thermisch gekoppelt werden und die Umlenkabschnitte können mit dem Wickelkopf an der zweiten Stirnseite thermisch gekoppelt werden. So kann der Stator zuverlässig gekühlt werden.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
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 Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators einer elektrischen Maschine;
2 eine schematische Einzeldarstellung des Blechpakets des Stators gemäß 1
3 eine schematische Darstellung des Blechpakets mit Wicklungen des Stators;
4 eine schematische Einzeldarstellung des Kühlkäfigs des Stators gemäß 1; und
5 eine schematische Darstellung des Stators gemäß 1 in vergossener Form.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Stator 1 für eine elektrische Maschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Der Stator 1 weist ein Blechpaket 2 auf, welches als Einzeldarstellung in 2 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 innerhalb des Stators 1 gelagerter, hier nicht gezeigter Rotor dreht. Das Blechpaket 2 weist eine Innenseite 4 auf, welche einen zylinderförmigen Hohlraum 3 umschließt. In diesem Hohlraum 3 wird der Rotor gelagert. 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 über eine gesamte Höhe des Blechpakets 2. In diesen Wicklungsnuten 6 sind Wicklungen 9 des Stators 1 angeordnet. Die Wicklungen 9 sind hier als Formstabwicklungen ausgebildet. In 3 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 Kühlkäfig 11 auf, welcher in einer Einzeldarstellung in 4 gezeigt ist. Der Kühlkäfig 11 weist einen Kühlring 12 auf, welcher an der ersten Stirnseite 7 des Blechpakets 2 und überlappend mit der ersten Stirnseite 7 des Blechpakets 2 angeordnet ist. Der Kühlring 12 ist dabei radial benachbart zu dem an der ersten Stirnseite 7 überstehenden Wickelkopf 10 angeordnet und umschließt diesen Wickelkopf 10 radial. Der Wickelkopf 10 und der Kühlring 12 sind also konzentrisch zueinander angeordnet, wobei der Kühlring 12 in radialer Richtung R weiter außen liegt als der Wickelkopf 10. Der Kühlring 12 ist als ein Hohlkörper ausgebildet, in welchem Kühlmittel geleitet werden kann. Das Kühlmittel kann beispielsweise von einem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine bereitgestellt werden. Zum Koppeln mit dem Kühlkreislauf weist der Kühlring 12 einen Kühlmittelanschluss 13 auf, welcher aus einem Zuflussanschluss 14 und einem Abflussanschluss 15 gebildet ist. Der Zuflussanschluss 14 ist mit einem Zuflussabschnitt des Kühlrings 12 gekoppelt, sodass über den Zuflussanschluss 14 das Kühlmittel in den Kühlring 12 eingeführt werden kann. Der Abflussanschluss 15 ist mit einem Abflussabschnitt des Kühlrings 12 gekoppelt, sodass über den Abflussanschluss 15 das Kühlmittel wieder aus dem Kühlring 12 entnommen werden kann.
Außerdem weist der Kühlkäfig 11 eine Vielzahl von Kühlkanälen 16 auf. Die Kühlkanäle 16 stehen axial von dem Kühlring 12 ab und sind mechanisch und fluidisch mit dem Kühlring 12 verbunden. Die Kühlkanäle 16 sind dabei in Umfangsrichtung U verteilt an dem Kühlring 12 angeordnet. Die Kühlkanäle 12 sind an der Außenseite 5 des Blechpakets 2 angeordnet und können das Kühlmittel entlang der Außenseite 5 ausgehend von dem Kühlring 12 in Richtung der zweiten Stirnseite 8 und wieder zurück zu dem Kühlring 12 leiten. Die Kühlkanäle 16 weisen dabei jeweils einen Hinflussabschnitt 17, einen Rückflussabschnitt 18 und einen Umlenkabschnitt 19 auf. Der Hinflussabschnitt 17 und der Rückflussabschnitt 18 sind in Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeordnet und über den Umlenkabschnitt 19 fluidisch verbunden. Der Hinflussabschnitt 17 der Kühlkanäle 16 ist mit dem Zuflussabschnitt des Kühlrings 12 verbunden. Der Rückflussabschnitt 18 ist mit dem Abflussabschnitt des Kühlrings 12 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Hinflussabschnitt 17 und dem Zuflussabschnitt des Kühlrings 12 sowie zwischen dem Rückflussabschnitt 18 und dem Abflussabschnitt des Kühlrings 12 ist dabei fluiddicht. Somit kann das Kühlmittel von dem Zuflussabschnitt in den Hinflussabschnitt 17 geleitet werden, entlang der Außenseite 5 des Blechpakets 2 zu dem Umlenkabschnitt 19 geleitet werden, von dem Umlenkabschnitt 19 in den Rückflussabschnitt 18 geleitet werden, und durch den Rückflussabschnitt 18 entlang der Außenseite 5 des Blechpakets 2 zu dem Abflussabschnitt geleitet werden.
Die Außenseite 5 des Blechpakets 2 weist hier Kühlungsnuten 20 auf, wobei jeder Hinflussabschnitt 17 in einer Kühlungsnut 20 und jeder Rückflussabschnitt 18 in einer Kühlungsnut 20 angeordnet ist. Die Kühlungsnuten 20 erstrecken sich somit ebenfalls axial über eine Höhe des Blechpakets 2 und sind in der Umfangsrichtung U verteilt über die Außenseite 5 und beispielweise äquidistant zueinander angeordnet. Im angeordneten Zustand der Abschnitte 17, 18 in den Kühlungsnuten 20 kann eine glatte Oberfläche bzw. Kontur der Außenseite 5 gebildet werden.
Der Umlenkabschnitt 19 steht dabei an der zweiten Stirnseite 8 des Blechpakets 2 über. Eine Länge des Hinflussabschnitts 17 und des Rückflussabschnitts 18 entspricht somit der Höhe des Blechpakets 2. Außerdem ist der Umlenkabschnitt 19 radial nach innen in Richtung des Wickelkopfes 10 an der zweiten Stirnseite 8 des Blechpakets 2 gebogen. Dadurch, dass der Kühlring 12 und der Umlenkabschnitt 19 benachbart zu den Wickelköpfen 10 angeordnet sind, können auch die Wickelköpfe 10 effizient gekühlt werden. An diesen Wickelköpfen 10 findet nämlich im Betrieb der elektrischen Maschine eine große Hitzeentwicklung statt und es bilden sich sogenannte Hotspots. Um vor allem die Kühlung der Wickelköpfe 10 zu verbessern, kann der Stator 1 mit einer Vergussmasse 21 vergossen sein, wie anhand des vollvergossenen Stators 1 in 5 gezeigt ist. Die Vergussmasse 21 ist dabei unter anderem zwischen den Wickelköpfen 10 und dem Kühlkäfig 11 angeordnet, sodass die Wärme effizient von den Wickelköpfen 10 an den Kühlkäfig 11 abgeführt werden kann.
Der Kühlkäfig 11 ist dabei vor der eigentlichen Montage des Stators 1 fertig zusammengebaut und dichtegeprüft. Der Kühlkäfig 11 ist also vor der Montage am Blechpaket 2 als ein aufsteckfertiges Bauteil ausgebildet, wie es in 4 gezeigt ist. Der Kühlkäfig 11 wird dabei entlang einer axialen Aufsteckrichtung A auf das die Wicklungen 9 aufweisende Blechpaket 2 aufgesteckt. Da die Abschnitte 17, 18 über den Umlenkabschnitt 19 verbunden sind und außerdem in den Kühlungsnuten 20 angeordnet werden sollen, können die Kühlkanäle 16 beim Aufstecken nach außen gebogen werden und damit einen Innendurchmesser der Kühlkäfigs 11 vergrößern. Sobald der Umlenkabschnitt 19 über die zweiten Stirnseite 8 des Blechpakets 2 hinausgeschoben wird, biegen sich die Kühlkanäle 16 wieder in ihre Ausgangsform zurück und schieben sich dabei radial nach innen in die Kühlungsnuten 20. Um die reversible Biegung der Kühlkanäle 16 bereitzustellen, können die Abschnitte 17, 18 beispielsweise federnd mit dem Kühlring 12 verbunden sein. Dazu können Enden 22, 23 der Abschnitte 17, 18 beispielsweise gebogen sein.
Dadurch, dass der Kühlkäfig 11 auf das Blechpaket 2 aufgesteckt bzw. über das Blechpaket 2 übergestülpt wird und dadurch die Kühlkanäle 16 an der den Wicklungen 9 abgewandten Außenseite 5 des Blechpakets 2 angeordnet werden, kann der Kühlkäfig 11 in vorteilhafter Weise aus Metall, beispielweise Aluminium, gefertigt sein. Aluminium ist kostengünstig, leicht zu verarbeiten und weist außerdem eine hohe thermische Leitfähigkeit auf.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Blechpaket
3: Hohlraum
4: Innenseite
5: Außenseite
6: Wicklungsnut
7: erste Stirnseite
8: zweite Stirnseite
9: Wicklungen
10: Wickelköpfe
11: Kühlkäfig
12: Kühlring
13: Kühlmittelanschluss
14: Zuflussanschluss
15: Abflussanschluss
16: Kühlkanal
17: Hinflussabschnitt
18: Rückflussabschnitt
19: Umlenkabschnitt
20: Kühlungsnut
21: Vergussmasse
22, 23: Enden
L: Längsachse
U: Umfangsrichtung
R: radiale Richtung
A: Aufsteckrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015012913 A1 [0003]

Claims

Stator (1) für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs aufweisend: - ein hohlzylinderförmiges Blechpaket (2) mit einer einem Hohlraum (3) zum Aufnehmen eines Rotors zugewandten Innenseite (4) und einer Außenseite (5), wobei die Innenseite (4) axial erstreckende, in Umfangsrichtung (U) verteilte Wicklungsnuten (6) aufweist, - Wicklungen (9), welche in den Wicklungsnuten (6) angeordnet sind und an axial gegenüberliegenden Stirnseiten (7, 8) des Blechpakets (2) Wickelköpfe (10) ausbilden, und - einen zylinderförmigen Kühlkäfig (11) mit einem Kühlring (12) zum Anordnen an einer ersten der Stirnseiten (7) des Stators (2) sowie mit axial erstreckenden, in Umfangsrichtung (U) an dem Kühlring (12) verteilt angeordneten, fluiddicht mit dem Kühlring (12) verbundenen Kühlkanälen (16), wobei der Kühlring (12) dazu ausgelegt ist, Kühlmittel in die Kühlkanäle (16) einzuleiten und aus den Kühlkanälen (16) aufzunehmen, und die Kühlkanäle (16) dazu ausgelegt sind, das Kühlmittel ausgehend von dem Kühlring (12) an dem Blechpaket (2) entlang und zurück zu dem Kühlring (12) zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkäfig (11) axial auf das Blechpaket (2) aufsteckbar ist, wobei im aufgesteckten Zustand der Kühlring (12) den Wickelkopf (10) an der ersten Stirnseite (7) radial umschließt und die Kühlkanäle (16) an der Außenseite (5) des Blechpakets (2) angeordnet sind.
Stator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite des Stators (1) axial erstreckende, in Umfangsrichtung (U) verteilte Kühlungsnuten (20) aufweist, in welchen die Kühlkanäle (16) des Kühlkäfigs (11) im aufgesteckten Zustand auf das Blechpaket (2) angeordnet sind.
Stator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (16) U-förmig ausgebildet sind und jeweils einen mit dem Kühlring (12) verbundenen, axial erstreckenden Hinflussabschnitt (17), einen mit dem Kühlring (12) verbundenen, axial erstreckenden und in Umfangsrichtung (U) zu dem Hinflussabschnitt (17) beabstandeten Rückflussabschnitt (18) und einen den Hinflussabschnitt (17) und den Rückflussabschnitt (18) verbindenden Umlenkabschnitt (19) aufweisen, wobei der Hinflussabschnitt (17) dazu ausgelegt ist, das von dem Kühlring (12) bereitgestellte Kühlmittel aufzunehmen und zu dem Umlenkabschnitt (19) zu leiten, und der Rückflussabschnitt (18) dazu ausgelegt ist, das über den Umlenkabschnitt (19) bereitgestellte Kühlmittel zurück zu dem Kühlring (12) zu leiten.
Stator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des Hinflussabschnitts (17) und des Rückflussabschnitts (18) so groß wie eine Höhe des Blechpakets (2) ist und somit der Umlenkabschnitt (19) an einer der ersten Stirnseite (7) axial gegenüberliegenden zweiten Stirnseite (8) über das Blechpaket (2) hinausragt.
Stator (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkabschnitt (19) radial nach innen gebogen ist und somit radial zu dem an der zweiten Stirnseite (8) des Blechpakets (2) gebildeten Wickelkopf (10) benachbart ist.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (5) des Blechpakets (2) Kühlungsnuten (20) für die Hinflussabschnitte (17) und Kühlungsnuten (20) für die Rückflussabschnitte (18) aufweist.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den Umlenkabschnitt (19) aufweisenden Kühlkanäle (16) zum axialen Aufstecken des Kühlkäfigs (11) auf das Blechpaket (2) und zum Vergrößern eines Innendurchmessers des Kühlkäfigs (11) im Bereich der Kühlkanäle (16) beim Aufstecken reversibel radial nach außen biegbar sind.
Stator (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinflussabschnitt (17) und der Rückflussabschnitt (18) federnd mit dem Kühlring (12) verbunden sind.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlring (12) einen ringförmigen Zuflussabschnitt aufweist, welcher mit einem Zuflussanschluss (14) des Kühlrings (12) fluidisch gekoppelt ist, und einen ringförmigen Abflussabschnitt aufweist, welcher mit einem Abflussanschluss (15) des Kühlrings (12) fluidisch gekoppelt ist, wobei die Hinflussabschnitte (17) der Kühlkanäle (16) mit dem Zuflussabschnitt fluidisch verbunden sind und die Rückflussabschnitte (18) der Kühlkanäle (16) mit dem Abflussabschnitt fluidisch verbunden sind.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkäfig (11) aus einem Metall, insbesondere Aluminium, gebildet ist.
Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) eine das Blechpaket (2) mit den Wicklungen (9) und den Kühlkäfig (11) thermisch koppelnde Vergussmasse (21) aufweist, welche zumindest zwischen dem Kühlkäfig (11) und den Wickelköpfen (10) angeordnet ist.
Elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Rotor, welcher in dem Hohlraum (3) des Blechpakets (2) drehbar gelagert ist.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 12.