DE102018216301A1

DE102018216301A1 - Kühlvorrichtung für einen Stator einer elektrischen Maschine, Stator, elektrische Maschine sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018216301A1
Application number: DE102018216301.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Huber; Jörg Merwerth; Jens Richter
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 eine Kühlvorrichtung (11) für einen Stator (1) einer elektrischen Maschine zum Zusammenstecken mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket (2) des Stators (1), aufweisend- mehrere Nutkühlkanäle (16) zum Leiten von Kühlmittel entlang von Wicklungsnuten (6), und- einen mit den Nutkühlkanälen (16) unter Ausbildung eines Kühlkäfigs (12) verbundenen Kühlring (13),wobeidie Nutkühlkanäle (16) schleifenförmig ausgebildet sind und jeweils- einen Hinflussabschnitt (17) zum Anordnen in einer ersten Wicklungsnut (6),- einen Rückflussabschnitt (18) zum Anordnen in einer zweiten Wicklungsnut (6), und- einen mit dem Hinflussabschnitt (17) und dem Rückflussabschnitt (18) fluiddicht verbundenen Umlenkabschnitt (19) zum Anordnen über einen Statorzahn (9) verlaufend aufweisen, wobei die Nutkühlkanäle (16) reversibel radial nach innen biegbar sind. Die Erfindung betrifft außerdem einen Stator (1), eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Stator einer elektrischen Maschine zum Zusammenstecken mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket des Stators, aufweisend mehrere Nutkühlkanäle zum Leiten von Kühlmittel entlang von Wicklungsnuten, welche in einer einem Hohlraum zugewandten Innenseite des Blechpakets axial verlaufen, und aufweisend einen mit den Nutkühlkanälen unter Ausbildung eines Kühlkäfigs verbundenen Kühlring zum Anordnen an einer ersten Stirnseite des Blechpakets, zum Einleiten des Kühlmittels in die Nutkühlkanäle und zum Aufnehmen des Kühlmittels aus den Nutkühlkanälen. Die Erfindung betrifft außerdem einen Stator, 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 bidirektional leitend, also mit einem Hinfluss und einem Rückfluss, ausgebildet sein, wodurch die Kühleinrichtung besonders aufwändig zu fertigen ist. Darüber hinaus benötigen die bidirektionalen Kühlrohre radialen Bauraum am Stator, was zusätzlich zu einer Gewichtszunahme des Stators führt.
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 eine Kühlvorrichtung, 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.
Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für einen Stator einer elektrischen Maschine ist mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket des Stators zusammensteckbar. Die Kühlvorrichtung weist mehrere Nutkühlkanäle zum Leiten von Kühlmittel entlang von Wicklungsnuten auf, welche in einer einem Hohlraum zugewandten Innenseite des Blechpakets axial verlaufen. Außerdem weist die Kühlvorrichtung einen mit den Nutkühlkanälen unter Ausbildung eines Kühlkäfigs verbundenen Kühlring zum Anordnen an einer ersten Stirnseite des Blechpakets, zum Einleiten des Kühlmittels in die Nutkühlkanäle und zum Aufnehmen des Kühlmittels aus den Nutkühlkanälen auf. Dabei sind die Nutkühlkanäle schleifenförmig ausgebildet, und weisen jeweils einen Hinflussabschnitt zum Anordnen in einer ersten Wicklungsnut, einen Rückflussabschnitt zum Anordnen in einer zur ersten Wicklungsnut benachbarten zweiten Wicklungsnut, und einen mit dem Hinflussabschnitt und dem Rückflussabschnitt fluiddicht verbundenen Umlenkabschnitt zum Anordnen an einer zweiten Stirnseite des Blechpakets über einen zwischen der ersten und der zweiten Wicklungsnut angeordneten Statorzahn verlaufend auf. Zum Ermöglichen eines axialen Zusammensteckens des Kühlkäfigs mit dem Blechpaket sind die Nutkühlkanäle reversibel radial nach innen biegbar.
Ein erfindungsgemäßer Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs weist ein hohlzylinderförmiges Blechpaket mit einer einem Hohlraum zum Aufnehmen eines Rotors zugewandten Innenseite auf, welche axial erstreckende, in Umfangsrichtung verteilte Wicklungsnuten aufweist. Der Stator weist außerdem Wicklungen, welche in den Wicklungsnuten angeordnet sind, und eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung auf. Dabei ist der Kühlring an einer ersten Stirnseite des Blechpakets angeordnet, die Hinflussabschnitte der Nutkühlkanäle sind in ersten Wicklungsnuten angeordnet, die Rückflussabschnitte sind in zu den ersten Wicklungsnuten benachbarten zweiten Wicklungsnuten angeordnet und die Umlenkabschnitte sind an einer zweiten Stirnseite des Blechpakets über einen zwischen der ersten und der zweiten Wicklungsnut angeordneten Statorzahn verlaufend angeordnet.
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. Die Statornuten können beispielsweise parallelflankig ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Breite der Statornuten in radialer Richtung konstant sein. 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 Nutkühlkanäle auf. Der Kühlring ragt dabei im angeordneten Zustand aus dem Hohlraum hinaus und steht an der ersten Stirnseite des Blechpakets über. Der Kühlring kann beispielsweise ein toroidförmiger Hohlkörper sein, in dessen Innenraum das von dem Kühlkreislauf bereitgestellte Kühlmittel entlang der Umfangsrichtung geleitet werden kann. Der Kühlring kann beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Ein Außendurchmesser des Kühlkäfigs ist dabei insbesondere gleich groß wie oder größer als ein Innendurchmesser des Blechpakets, sodass im angeordneten Zustand des Kühlkäfigs an dem Blechpaket der Kühlring beispielsweise radial an einen Innenumfang der ersten Stirnseite angrenzt oder bereichsweise mit der ersten Stirnseite überlappt. Damit ist der Kühlring radial benachbart zu dem Wickelkopf an der ersten Stirnseite angeordnet. 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 Dauerleistung der elektrischen Maschine in statorkritischen Betriebspunkten gesteigert werden.
Die Nutkühlkanäle sind schleifenförmig, also als Kühlschleifen, ausgebildet und können beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Der Hinflussabschnitt und der Rückflussabschnitt sind dabei längliche, zueinander beabstandete, parallel verlaufende Kanalbereiche. 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 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.
Im zusammengesteckten Zustand sind dabei der Hinflussabschnitt und der Rückflussabschnitt eines Nutkühlkanals gemeinsam mit den Wicklungen des Stators in zwei benachbarten Wicklungsnuten angeordnet. Entlang der Umfangsrichtung sind in den Wicklungsnuten also abwechselnd Hinflussabschnitte und Rückflussabschnitte angeordnet. Die Wicklungen liegen dabei radial weiter außen in den jeweiligen Wicklungsnuten als der Hinflussabschnitt bzw. der Rückflussabschnitt. Eine Länge des Hinflussabschnitts und des Rückflussabschnitts entspricht insbesondere einer Höhe des Blechpakets. Da der Hinfluss- und der Rückflussabschnitt in unterschiedlichen Wicklungsnuten angeordneten sind, überbrückt der Umlenkabschnitt den Statorzahn zwischen den benachbarten Wicklungsnuten. Dabei ragt der Umlenkabschnitt an der zweiten Stirnseite über den Hohlraum hinaus und ist an der zweiten Stirnseite über einen zwischen den benachbarten Wicklungsnuten angeordneten Statorzahn verlaufend angeordnet. Der Nutkühlkanal ist also U-förmig gebogen ausgebildet, wobei der hufeisenförmige Umlenkabschnitt axial von dem Hinflussabschnitt und dem Rückflussabschnitt absteht.
Das Kühlmittel wird somit von dem Kühlring an der ersten Stirnseite axial mittels des Hinflussabschnitts in der ersten Wicklungsnut zu der zweiten Stirnseite geleitet und mittels des Umlenkabschnitts entlang der Umfangsrichtung an der zweiten Stirnseite über den Statorzahn in den Rückflussabschnitt geleitet, welcher das Kühlmittel in der zweiten Wicklungsnut axial zurück zu dem Kühlring leitet. Durch das Anordnen des Hin- und Rückflussabschnitts in unterschiedlichen Wicklungsnuten ergibt sich der Vorteil, dass die Statornuten mit einer im Vergleich zu einem bidirektionalen Kühlrohr geringeren radialen Tiefe ausgebildet werden können, wodurch sich auch eine radiale Breite bzw. ein Außendurchmesser des Blechpakets reduziert. Somit weist der Stator in radialer Richtung einen verringerten Bauraumbedarf auf.
Der Kühlkäfig ist als ein einstückiges, einsteckfertiges Bauteil ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Kühlring und die Kühlkanäle vor dem Aufstecken bereits fluiddicht zusammengefügt sind. Der Kühlring und die Kühlkanäle können also insbesondere nicht mehr zerstörungsfrei voneinander gelöst werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass Dichtungsstellen zwischen dem Kühlring und den Kühlkanälen bereits vor dem Anordnen des Kühlkäfigs an dem Blechpaket auf ihre Dichtigkeit hin überprüft werden können. Um die Nutkühlkanäle dabei in den Wicklungsnuten anzuordnen, ist der Innendurchmesser des Kühlkäfigs im Bereich der Nutkühlkanäle größer oder gleich als der Innendurchmesser des Blechpakets.
Aufgrund der U-förmig gebogenen, schleifenförmigen Nutkühlkanäle mit den axial abstehenden Umlenkabschnitten können die Hinfluss- und Rückflussabschnitte nicht einfach axial in die Wicklungsnuten eingeschoben werden. Um den Kühlkäfig als Ganzes an dem Blechpaket anordnen zu können, und ohne den Kühlring und die Nutkühlkanäle erst nach dem Anordnen am Blechpaket fluiddicht zusammensetzen zu müssen, kann es vorgesehen sein, dass die schleifenförmigen Nutkühlkanäle elastisch ausgebildet und zumindest im Bereich der Umlenkabschnitte radial nach innen gebogen werden können. Beispielsweise können die Nutkühlkanäle biegbar an dem Kühlring befestigt sein. Zum Anordnen des Kühlkäfigs an dem Blechpaket kann der Kühlkäfig mit den Nutkühlkanälen voraus axial in den Hohlraum des Blechpakets eingeschoben werden, wobei beim Einschieben die nach innen gebogenen Nutkühlkanäle so lange an der Innenseite des Blechpakets entlang geschoben werden, bis der Kühlring an der ersten Stirnseite angeordnet ist und die Umlenkabschnitte an der zweiten Stirnseite wieder aus dem Hohlraum austreten. Sobald die Umlenkabschnitte an der zweiten Stirnseite aus dem Hohlraum ausgetreten sind, können sich die Hinflussabschnitte und die Rückflussabschnitte radial nach außen in ihre Ursprungsform zurückbiegen und sich dabei in die jeweilige Wicklungsnut einschieben. Beim Einschieben der Hinflussabschnitte und der Rückflussabschnitte in die Wicklungsnuten wird der jeweilige Umlenkabschnitt an der zweiten Stirnseite über dem jeweiligen Statorzahn angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Kühlring einen ringförmigen Zuflussabschnitt, welcher mit einem Zuflussanschluss des Kühlrings fluidisch gekoppelt ist, und einen ringförmigen Abflussabschnitt auf, welcher mit einem Abflussanschluss des Kühlrings fluidisch gekoppelt ist. Die Hinflussabschnitte der Nutkühlkanäle sind mit dem Zuflussabschnitt fluidisch verbunden und die Rückflussabschnitte der Nutkühlkanäle sind mit dem Abflussabschnitt fluidisch verbunden. Der Zuflussanschluss und der Abflussanschluss des Kühlrings bilden einen Kühlmittelanschluss, welcher mit dem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine gekoppelt werden kann. Insbesondere sind der Zuflussanschluss und der Abflussanschluss als an einer der ersten Stirnseite abgewandten Oberseite des Kühlrings axial, radial oder tangential abstehende Stutzen ausgebildet. 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 Nutkühlkanäle. Der Abflussabschnitt nimmt das Kühlmittel aus den Rückflussabschnitten der Nutkühlkanäle wieder auf und leitet es zu dem Abflussanschluss. So kann gewährleistet werden, dass sämtliche Bereiche des Blechpakets einheitlich gekühlt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Kühlring an einer der ersten Stirnseite des Stators zugewandten Unterseite Stecköffnungen aufweist, in welche Enden der Hinflussabschnitte und der Rückflussabschnitte unter Ausbildung einer Steckverbindung eingesteckt sind, wobei die Steckverbindung zwischen den Stecköffnungen und den Enden fluiddicht ausgebildet ist. Der Kühlring und die Nutkühlkanäle können also vor der Montage des Kühlkäfigs an dem Blechpaket einfach zusammengesteckt werden. Um die Steckverbindung fluiddicht auszubilden, können die Dichtungsstellen bzw. Verbindungsstellen zwischen dem Kühlring und den Kühlkanälen beispielsweise mittels Klebung, Pressung, Dichtungskörpern, Schweißverbindung oder dergleichen abgedichtet werden. Ein solcher Kühlkäfig ist besonders einfach zu fertigen.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Kühlvorrichtung ferromagnetische Verschlusselemente zum Anordnen in den Wicklungsnuten und zum Verschließen der Wicklungsnuten gegenüber dem Hohlraum aufweist. Üblicherweise sind die Statorzähne an ihren dem Hohlraum zugewandten Enden polschuhförmig ausgebildet, sodass eine Breite der Wicklungsnuten entlang der Umfangsrichtung im Bereich der Polschuhe geringer ist als im Bereich der Wicklungen. Die Wicklungsnuten sind also über einen Nutschlitz zwischen den Polschuhen zweier benachbarter Statorzähne zugänglich. Da hier die Nutkühlkanäle radial in die Wicklungsnuten eingeschoben werden oder die Umlenkabschnitte beim Einschieben der Nutkühlkanäle in die Wicklungsnuten radial aus den Wicklungsnuten herausragen, weisen die Statorzähne keine polschuhförmigen Enden auf und sind offen ausgebildet. Eine Breite der Wicklungsnuten in Umfangsrichtung ist also in radialer Richtung konstant. Diese offenen Wicklungsnuten weisen den Nachteil auf, dass sich höhere Verluste im Rotor und Stator ergeben, da die Pulsation des magnetischen Feldes im Luftspalt zwischen Stator und Rotor deutlich zunimmt. Außerdem ergibt sich durch die offenen Wicklungsnuten ein höherer effektiver Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, was ein niedrigeres Drehmoment bei gleichem Strom zur Folge hat. Die Verschlusselemente können die negativen elektromagnetischen Folgen der offenen Wicklungsnuten kompensieren. Die Verschlusselemente erstrecken sich insbesondere in axialer Richtung über die gesamte Länge der Wicklungsnuten und verschließen die Wicklungsnut gegenüber dem Hohlraum. Die Verschlusselemente sind aus dem ferromagnetischen Material ausgebildet, dessen Permeabilitätszahl insbesondere kleiner als 100, vorzugsweise kleiner als 10, ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine dem Hohlraum zugewandte Außenseite der Nutkühlkanäle zum Ausbilden der Verschlusselemente aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Die Verschlusselemente sind also Teil der Nutkühlkanäle und können somit in vorteilhafter Weise zusammen mit diesen am Blechpaket montiert werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Nutkühlkanäle oder auch nur die Hinflussabschnitte und Rückflussabschnitte vollständig aus dem ferromagnetischen Material ausgebildet sind. Es kann aber auch sein, dass das Material der Nutkühlkanäle inhomogen ist und einen Verlauf aufweist, durch welchen sich das Material in radialer Richtung ändert. Dabei ist das Material zumindest im Bereich der sich axial erstreckenden Außenseite der Nutkühlkanäle, welche dem Hohlraum zugewandt ist, ferromagnetisch.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Verschlusselemente als zu den Nutkühlkanälen separate, ferromagnetische Nutkeile ausgebildet, welche formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit einer dem Hohlraum zugewandten Außenseite der Nutkühlkanäle verbunden sind. Die Nutkeile sind also zu den Nutkühlkanälen separate Elemente, welche gemeinsam mit dem Kühlkäfig oder separat zum Kühlkäfig am Blechpaket montiert werden können. Zum gemeinsamen Montieren können die Nutkeile beispielsweise durch Anspritzen oder Ankleben stoffschlüssig mit den Außenseiten der Hinflussabschnitte und Rückflussabschnitte verbunden sein. Die Nutkühlkanäle können dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. In radialer Richtung, von innen nach außen gesehen, sind also zuerst die Nutkeile, dann die Nutkühlkanäle und zuletzt die Wicklungen in den Wicklungsnuten angeordnet.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Nutkeile und die Außenseite der Nutkühlkanäle zum formschlüssigen Verbinden zueinander korrespondierende Verbindungselemente aufweisen. Beispielsweise können die Verbindungselemente eine Schwalbenschwanzverbindung ausbilden. Dazu können die Nutkeile beispielsweise eine sich in axialer Richtung erstreckende Nut und die Hinfluss- und Rückflussabschnitte dazu korrespondierende, sich in axialer Richtung erstreckende Zapfen aufweisen. Zum formschlüssigen Verbinden kann der Zapfen axial in die Nut bzw. die Nut axial über den Zapfen geschoben werden. Dadurch können die Nutkühlkanäle und die Nutkeile beispielsweise separat voneinander an dem Blechpaket angeordnet werden. Auch können die Nutkühlkanäle und die Nutkeile eine Klipsverbindung bzw. Rastverbindung ausbilden, sodass die Nutkeile beispielsweise radial an die Hinfluss- und Rückflussabschnitte angeklipst werden können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Stators weisen zumindest eine dem Statorzahn zugewandte Seitenwand der Nutkühlkanäle und eine an die Wicklungsnut angrenzende Seite des Statorzahns miteinander korrespondierende Verbindungselemente zum Halten der Nutkühlkanäle in den Wicklungsnuten auf. Beispielsweise können die Verbindungselemente als Verrastungselemente ausgebildet sein, welche beim radialen oder axialen Einschieben der Hinfluss- und Rückflussabschnitte in die Wicklungsnuten miteinander verrasten. Auch kann die Seite des Statorzahns eine in Richtung der Wicklungsnut herausstehende Kante aufweisen, auf welcher ein Vorsprung in der Seitenwand der Hinfluss- und Rückflussabschnitte aufliegt. Durch die Verbindungselemente kann verhindert werden, dass die Nutkühlkanäle aus den Wicklungsnuten lösen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Stator und einem Rotor, welcher in dem Hohlraum des Blechpakets drehbar gelagert ist.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Stator, für die erfindungsgemäße elektrische Maschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfah rzeug.
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 Darstellung des Blechpakets und der Kühlvorrichtung des Stators;
3 eine schematische Darstellung des Blechpakets und der Kühlvorrichtung des Stators beim Zusammenstecken;
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Kühlvorrichtung des Stators;
5 eine Draufsicht auf einen Stator nach dem Montieren der Kühlvorrichtung;
6 eine Draufsicht auf den Stator während des Montierens der Kühlvorrichtung;
7 eine Querschnittdarstellung eines Stator mit einer Kühlvorrichtung, welche Verschlusselemente aufweist;
8a - 8f Querschnittdarstellungen durch eine Kühlvorrichtung mit unterschiedlichen Verschlusselementen; und
9a, 9b Längsschnittdarstellungen einen Stator mit einer Kühlvorrichtung.

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. 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 (siehe 2 und 3) 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. Bereiche des Blechpakets 2 zwischen den Wicklungsnuten 6 werden als Statorzähne 9 bezeichnet. In den Wicklungsnuten 6 sind hier nicht sichtbare Wicklungen des Stators 1 angeordnet. Die Wicklungen ragen dabei axial über die Stirnseiten 7, 8 des Blechpakets 2 hinaus und bilden dort Wickelköpfe 10 aus.
Außerdem weist der Stator 1 eine Kühlvorrichtung 11 mit einem Kühlkäfig 12 auf, welcher gemeinsam mit dem Blechpaket in 2 und 3 und in einer Einzeldarstellung in 4 gezeigt ist. Der Kühlkäfig 12 weist einen Kühlring 13 auf, welcher im Bereich der ersten Stirnseite 7 des Blechpakets 2 angeordnet wird. Der Wickelkopf 10 ist dabei radial benachbart zu dem an der ersten Stirnseite 7 überstehenden Kühlring 13 angeordnet und umschließt den Kühlring 13 radial. Der Wickelkopf 10 und der Kühlring 13 sind also konzentrisch zueinander angeordnet, wobei der Kühlring 13 in radialer Richtung R weiter innen liegt als der Wickelkopf 10. Der Kühlring 13 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 13 einen Kühlmittelanschluss auf, welcher aus einem Zuflussanschluss 14 und einem Abflussanschluss 15 gebildet ist. Der Zuflussanschluss 14 ist mit einem Zuflussabschnitt des Kühlrings 13 gekoppelt, sodass über den Zuflussanschluss 14 das Kühlmittel in den Kühlring 13 eingeführt werden kann. Der Abflussanschluss 15 ist mit einem Abflussabschnitt des Kühlrings 13 gekoppelt, sodass über den Abflussanschluss 15 das Kühlmittel wieder aus dem Kühlring 13 entnommen werden kann. Der Zuflussabschnitt und der Rückflussabschnitt können beispielsweise ringförmige Kanäle sein. Der Zuflussanschluss 14 und der Abflussanschluss 15 sind hier als axial von dem Kühlring 13 abstehende Stutzen ausgebildet.
Außerdem weist der Kühlkäfig 12 eine Vielzahl von Nutkühlkanälen 16 auf. Die Nutkühlkanäle 16 stehen axial von dem Kühlring 13 ab und sind mechanisch und fluidisch mit dem Kühlring 13 verbunden. Die Nutkühlkanäle 16 sind dabei in Umfangsrichtung U verteilt an dem Kühlring 13 angeordnet. Die Nutkühlkanäle 16 sind als Kühlschleifen ausgebildet und 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 Nutkühlkanäle 16 ist mit dem Zuflussabschnitt des Kühlrings 13 verbunden. Der Rückflussabschnitt 18 ist mit dem Abflussabschnitt des Kühlrings 13 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Hinflussabschnitt 17 und dem Zuflussabschnitt des Kühlrings 13 sowie zwischen dem Rückflussabschnitt 18 und dem Abflussabschnitt des Kühlrings 13 ist dabei fluiddicht. Die Hinflussabschnitte 17 und die Rückflussabschnitte 18 sind dabei gemeinsam mit den Wicklungen des Stators 1 in unterschiedlichen Wicklungsnuten 6 angeordnet und leiten das Kühlmittel somit in den Wicklungsnuten 6 entlang der Wicklungen.
Der Umlenkabschnitt 19 ist an der zweiten Stirnseite 8 überstehend und somit axial benachbart zu den Statorzähnen 9 angeordnet. Der Umlenkabschnitt 19 verläuft also an der zweiten Stirnseite 8 des Blechpakets 2 über die Statorzähne 9. Dies ist auch anhand der Draufsicht auf die zweite Stirnseite 8 des Blechpakets 2 in 5 gezeigt. In 5 sind außerdem die in den Wicklungsnuten 6 angeordneten Wicklungen 20 gezeigt, welche hier als Formstabwicklungen ausgebildet sind. Der Umlenkabschnitt 19 verläuft dabei an der zweiten Stirnseite 8 über die Statorzähne 9. Somit kann das Kühlmittel von dem Zuflussabschnitt in den Hinflussabschnitt 17 entlang der ersten Wicklungsnut, über den Umlenkabschnitt 19 an der zweiten Stirnseite 8 in den Rückflussabschnitt 18 und in dem Rückflussabschnitt 18 entlang der zweiten Wicklungsnut 6 zurück zu dem Abflussabschnitt des Kühlrings 13 geleitet werden. Dadurch, dass der Kühlring 13 und der Umlenkabschnitt 19 an den jeweiligen Stirnseiten 7, 8 überstehen und somit 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.
Der Kühlkäfig 12 ist dabei vor der eigentlichen Montage des Stators 1 fertig zusammengebaut und dichtegeprüft. Der Kühlkäfig 12 ist also vor der Montage am Blechpaket 2 als ein einsteckfertiges Bauteil ausgebildet, wie es beispielsweise in 4 gezeigt ist. Der Kühlkäfig 12 wird dabei entlang einer axialen Einsteckrichtung E mit dem Blechpaket 2 zusammengesteckt. In 3 ist der Kühlkäfig 12 während des Einsteckens in das Blechpaket 2 dargestellt. In der Draufsicht auf die zweite Stirnseite 8 des Blechpakets 2 gemäß 6 sind die Nutkühlkanäle 16 während des axialen Einsteckens in das Blechpaket 2 gezeigt. Durch die Schleifenform der Nutkühlkanäle 16, bei welcher die Hinflussabschnitte 17 und Rückflussabschnitte 18 über die axial abstehenden Umlenkabschnitte 19 verbunden sind, können die Hinflussabschnitte 17 und Rückflussabschnitte 18 nicht einfach axial in die Wicklungsnuten 6 eingesteckt werden. Daher sind die Nutkühlkanäle 16 elastisch ausgebildet und können reversibel nach innen gebogen werden. Dadurch verringert sich ein Außendurchmesser des Kühlkäfigs 12 im Bereich der Nutkühlkanäle 16 während des Einschiebens der Nutkühlkanäle 16 in den Hohlraum 3. Sobald die Umlenkabschnitte 19 an der zweiten Stirnseite 8 wieder aus dem Hohlraum 3 austreten, können die Nutkühlkanäle 16 in ihre ursprüngliche Form zurückkehren und sich wieder radial nach außen biegen. Dabei werden die Abschnitte 17 und 18 radial in die Wicklungsnuten 6 eingeschoben und die Umlenkabschnitte 19 an der zweiten Stirnseite 8 über den Statorzähnen 9 angeordnet.
Dabei sind die Wicklungsnuten 6 offen und in radialer Richtung R mit einer konstanten Breite B ausgebildet, wie anhand der Querschnittsdarstellung des Blechpakets 2 in 7 gezeigt ist. Diese offen ausgebildeten Wicklungsnuten 6 erhöhen eine Verlustleistung der elektrischen Maschine. Dies kann kompensiert werden, indem jede Wicklungsnut 6 durch ein ferromagnetisches Verschlusselement 21 gegenüber dem Hohlraum 3 verschlossen wird. Die Wicklungen 20 sind also in den Wicklungsnuten 6 hinter den Verschlusselementen 21 angeordnet. In 8a bis 8f sind unterschiedliche Ausführungsformen der Verschlusselemente 21 gezeigt. 8a und 8b zeigen Verschlusselemente 21 in Form von Nutkeilen 22, welche zu dem Abschnitt 17, 18 und damit zu dem Kühlkäfig 12 separat sind. In 8a ist der Nutkeil 22 einteilig ausgebildet, in 8b ist der Nutkeil 22 mehrteilig ausgebildet. Die Nutkeile 22 sind hier stoffschlüssig mit einer dem Hohlraum 3 zugewandten Außenseite 23 der Abschnitte 17, 18 verbunden und beispielsweise angeklebt oder angespritzt. Durch die stoffschlüssige Verbindung können der Kühlkäfig 12 und die Nutkeile 22 in einem Montageschritt an dem Blechpaket 2 angeordnet werden.
In 8c und 8d sind die Nutkeile 22 ebenfalls separat zu dem Nutkühlkanal 16 ausgebildet und werden hier formschlüssig mit den Abschnitten 17, 18 verbunden. In 8c bilden der Nutkeil 22 und der Abschnitt 17, 18 eine Schwalbenschwanzverbindung 24 aus. Dazu weist hier der Nutkeil 22 an seiner dem Abschnitt 17, 18 zugewandten Innenseite eine Nut 25 auf. Der Abschnitt 17, 18 weist an seiner Außenseite 23 einen Zapfen 26 auf, welcher axial in die Nut 25 eingeschoben werden kann. In 8d bilden der Nutkeil 22 und der Abschnitt 17, 18 eine Klipsverbindung 27 auf. Dazu weist hier der Nutkeil 22 an seiner dem Abschnitt 17, 18 zugewandten Innenseite eine Nut 28 auf. Der Abschnitt 17, 18 weist an seiner Außenseite 23 einen Zapfen 29 auf, welcher radial in die Nut 28 eingeschoben werden kann. Die Nutkeile 22 können hier vor oder nach dem Montieren des Kühlkäfigs 12 an dem Blechpaket 2 in den Wicklungsnuten 6 angeordnet werden.
In 8e und 8f sind die Verschlusselemente 21 durch die Nutkühlkanäle 16 selbst ausgebildet. Dazu ist, wie in 8e gezeigt, der Abschnitt 17, 18 vollständig aus dem ferromagnetischen Material ausgebildet oder weist, wie in 8f gezeigt, einen Materialverlauf 30 auf. Bei dem Materialverlauf 30 ist zumindest die Außenseite 23 des Abschnitts 17, 18 aus dem ferromagnetischen Material ausgebildet.
9a und 9b zeigen ebenfalls einen Querschnitt durch das Blechpaket 2. Um die Nutkühlkanäle 16 in der Wicklungsnut 6 zu halten, weisen Seiten 31 des Statorzahns und Seitenwände 32 des Abschnitts 17, 18 zueinander korrespondierende Verbindungselemente 33, 34 auf. In 9a ist das Verbindungselement 33 als Stufe in der Seite 31 des Statorzahns 9 ausgebildet, auf welchem das Verbindungselement 34 in Form von einer keilförmigen Kante in der Seitenwand 32 des Abschnittes 17, 18 aufliegt. In 9b ist das Verbindungselement 33 als Rastnut in der Seite 31 des Statorzahns 9 ausgebildet, welche mit einem Verbindungselement 34 in Form von einem Rastzapfen in der Seitenwand 32 des Abschnitts 17, 18 verrastet.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Blechpaket
3: Hohlraum
4: Innenseite
5: Außenseite
6: Wicklungsnut
7: erste Stirnseite
8: zweite Stirnseite
9: Statorzahn
10: Wickelköpfe
11: Kühlvorrichtung
12: Kühlkäfig
13: Kühlring
14: Zuflussanschluss
15: Abflussanschluss
16: Nutkühlkanal
17: Hinflussabschnitt
18: Rückflussabschnitt
19: Umlenkabschnitt
20: Wicklungen
21: Verschlusselement
22: Nutkeil
23: Au ßenseite
24: Schwalbenschwanzverbindung
25: Nut
26: Zapfen
27: Klipsverbindung
28: Nut
29: Zapfen
30: Materialverlauf
31: Seite des Statorzahns
32: Seitenwand
33: Verbindungselement
34: Verbindungselement
L: Längsachse
U: Umfangsrichtung
R: radiale Richtung
E: Einsteckrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015012913 A1 [0003]

Claims

Kühlvorrichtung (11) für einen Stator (1) einer elektrischen Maschine zum Zusammenstecken mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket (2) des Stators (1), aufweisend - mehrere Nutkühlkanäle (16) zum Leiten von Kühlmittel entlang von Wicklungsnuten (6), welche in einer einem Hohlraum (3) zugewandten Innenseite (4) des Blechpakets (2) axial verlaufen, und - einen mit den Nutkühlkanälen (16) unter Ausbildung eines Kühlkäfigs (12) verbundenen Kühlring (13) zum Anordnen an einer ersten Stirnseite (7) des Blechpakets (2), zum Einleiten des Kühlmittels in die Nutkühlkanäle (16) und zum Aufnehmen des Kühlmittels aus den Nutkühlkanälen (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Nutkühlkanäle (16) schleifenförmig ausgebildet sind und jeweils - einen Hinflussabschnitt (17) zum Anordnen in einer ersten Wicklungsnut (6), - einen Rückflussabschnitt (18) zum Anordnen in einer zur ersten Wicklungsnut (6) benachbarten zweiten Wicklungsnut (6), und - einen mit dem Hinflussabschnitt (17) und dem Rückflussabschnitt (18) fluiddicht verbundenen Umlenkabschnitt (19) zum Anordnen an einer zweiten Stirnseite (8) des Blechpakets (2) über einen zwischen der ersten und der zweiten Wicklungsnut (6) angeordneten Statorzahn (9) verlaufend aufweisen, wobei zum Ermöglichen eines axialen Zusammensteckens des Kühlkäfigs (12) mit dem Blechpaket (2) die Nutkühlkanäle (16) reversibel radial nach innen biegbar sind.
Kühlvorrichtung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlring (13) einen ringförmigen Zuflussabschnitt, welcher mit einem Zuflussanschluss (14) des Kühlrings (13) fluidisch gekoppelt ist, und einen ringförmigen Abflussabschnitt aufweist, welcher mit einem Abflussanschluss (15) des Kühlrings (13) fluidisch gekoppelt ist, wobei die Hinflussabschnitte (17) der Nutkühlkanäle (16) mit dem Zuflussabschnitt fluidisch verbunden sind und die Rückflussabschnitte (18) der Nutkühlkanäle (16) mit dem Abflussabschnitt fluidisch verbunden sind.
Kühlvorrichtung (11) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuflussanschluss (14) und der Abflussanschluss (15) als an einer der ersten Stirnseite (7) des Blechpakets abgewandten Oberseite des Kühlrings (13) axial abstehende Stutzen ausgebildet sind.
Kühlvorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlring (13) an einer der ersten Stirnseite (7) des Blechpakets (2) zugewandten Unterseite Stecköffnungen aufweist, in welche Enden der Hinflussabschnitte (17) und der Rückflussabschnitte (18) unter Ausbildung einer Steckverbindung eingesteckt sind, wobei die Steckverbindung zwischen den Stecköffnungen und den Enden fluiddicht ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (11) ferromagnetische Verschlusselemente (21) zum Anordnen in den Wicklungsnuten (6) und zum Verschließen der Wicklungsnuten (6) gegenüber dem Hohlraum (3) aufweist.
Kühlvorrichtung (11) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine dem Hohlraum (3) zugewandte Außenseite (23) der Nutkühlkanäle (16) zum Ausbilden der Verschlusselemente (21) aus einem ferromagnetischen Material gebildet sind.
Kühlvorrichtung (11) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlusselemente (21) als zu den Nutkühlkanälen (16) separate, ferromagnetische Nutkeile (22) ausgebildet sind, welche formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit einer dem Hohlraum (3) zugewandten Außenseite (23) der Nutkühlkanäle (16) verbunden sind.
Kühlvorrichtung (11) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutkeile (22) und die Außenseiten (23) der Nutkühlkanäle (16) zum formschlüssigen Verbinden zueinander korrespondierende Verbindungselemente (25, 26, 27, 28) aufweisen.
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), welche axial erstreckende, in Umfangsrichtung (U) verteilte Wicklungsnuten (6) aufweist, Wicklungen (20), welche in den Wicklungsnuten (6) angeordnet sind, und eine Kühlvorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlring (13) an einer ersten Stirnseite (7) des Blechpakets (2) angeordnet ist, die Hinflussabschnitte (17) der Nutkühlkanäle (16) in ersten Wicklungsnuten (6) angeordnet sind, die Rückflussabschnitte (18) in zu den ersten Wicklungsnuten (6) benachbarten zweiten Wicklungsnuten (6) angeordnet sind und die Umlenkabschnitte (19) an einer zweiten Stirnseite (8) des Blechpakets (2) über Statorzähne (9) zwischen den ersten und zweiten Wicklungsnuten (6) verlaufend angeordnet sind.
Stator (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine den Statorzähnen (9) zugewandte Seitenwand (32) der Nutkühlkanäle (16) und eine an die Wicklungsnut (6) angrenzende Seite (31) der Statorzähne (9) miteinander korrespondierende Verbindungselemente (33, 24) zum Halten der Nutkühlkanäle (16) in den Wicklungsnuten (6) aufweist.
Elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Stator (1) nach Anspruch 9 oder 10, und einem Rotor, welcher in dem Hohlraum (3) des Blechpakets (2) drehbar gelagert ist.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 11.