DE102018216525A1

DE102018216525A1 - Kühlvorrichtung für einen Stator einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, Stator, elektrische Maschine, Kraftfahrzeug sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102018216525A1
Application number: DE102018216525.4A
Authority: DE
Inventors: Felix Bolotnikov; Thomas Herrmann; Thinh Nguyen-Xuan; Juntao Zhu
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (9) für einen Stator (1) einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs zum Zusammenstecken mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket (2) des Stators (1), aufweisend mehrere Nutkühlkanäle (13) zum Leiten von Kühlmittel eines Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine entlang von sich in dem Blechpaket (2) axial erstreckenden Wicklungsnuten (6), und eine mit den Nutkühlkanälen (13) fluidisch und mechanisch verbundene Leiteinheit (14), welche dazu ausgelegt ist, das Kühlmittel in die Nutkühlkanäle (13) einzuleiten und aus den Nutkühlkanälen (13) aufzunehmen, wobei die Leiteinheit (14) zumindest zwei einander axial gegenüberliegende ringsegmentförmige Abschnitte (11, 12) zum Anordnen an gegenüberliegenden Stirnseiten (7, 8) des Blechpakets (2) aufweist, welche unter Ausbildung zumindest eines einteiligen Kühlkäfigsegments (10, 10') fest mit den Nutkühlkanälen (13) verbunden sind. Die Erfindung betrifft außerdem einen Stator (1) für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine, ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Herstellen des Stators (1) und der elektrischen Maschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Stator einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs zum Zusammenstecken mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket des Stators, aufweisend mehrere Nutkühlkanäle zum Leiten von Kühlmittel eines Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine entlang von sich in dem Blechpaket axial erstreckenden Wicklungsnuten und eine mit den Nutkühlkanälen fluidisch und mechanisch verbundene Leiteinheit, welche dazu ausgelegt ist, das Kühlmittel in die Nutkühlkanäle einzuleiten und aus den Nutkühlkanälen aufzunehmen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung, einen Stator für eine elektrische Maschine, ein Verfahren zum Herstellen eines Stators, 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, welche in den Wicklungsnuten angeordnet werden und somit Nutkühlkanäle ausbilden, sind also gemäß der DE 10 2015 012 913 A1 mit genau einem ringförmigen Rohrträger verbunden, welcher zum Einleiten von Kühlmittel in die Kühlrohre und zum Aufnehmen von Kühlmittel aus den Kühlrohren dient. So kann die Kühleinrichtung zwar durch einfaches axiales Einführen der Kühlrohre in die Wicklungsnuten an dem Blechpaket angeordnet werden, jedoch muss jedes Kühlrohr mit zwei Kühlmittelkanälen, welche einen Hinlauf und einen Rücklauf bilden, ausgebildet sein, wodurch die Kühleinrichtung besonders aufwändig zu fertigen ist.
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, ein Verfahren zum Herstellen der Kühlvorrichtung, einen Stator, ein Verfahren zum Herstellen des Stators, 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 eines Kraftfahrzeugs ist mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket des Stators zusammensteckbar. Die Kühlvorrichtung weist mehrere Nutkühlkanäle zum Leiten von Kühlmittel eines Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine entlang von sich in dem Blechpaket axial erstreckenden Wicklungsnuten und eine mit den Nutkühlkanälen fluidisch und mechanisch verbundene Leiteinheit auf. Die Leiteinheit ist dazu ausgelegt, das Kühlmittel in die Nutkühlkanäle einzuleiten und aus den Nutkühlkanälen aufzunehmen. Die Leiteinheit weist zumindest zwei einander axial gegenüberliegende ringsegmentförmige Abschnitte zum Anordnen an gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets auf, welche unter Ausbildung zumindest eines einteiligen Kühlkäfigsegments fest mit den Nutkühlkanälen verbunden sind, Der eine Abschnitt ist als ein Einleitabschnitt zum Einleiten des Kühlmittels in die Nutkühlkanäle und der gegenüberliegende andere Abschnitt ist als ein Aufnahmeabschnitt zum Aufnehmen des Kühlmittels aus den Nutkühlkanälen ausgebildet. Das zumindest eine Kühlkäfigsegment ist durch axiales Einführen in einen Hohlraum des Blechpakets und radiales Einschieben der Nutkühlkanäle in die Wicklungsnuten an dem Blechpaket anordenbar.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Kühlvorrichtung. Bei dem Verfahren werden die zumindest zwei ringsegmentförmigen Abschnitte und die Nutkühlkanäle separat voneinander hergestellt und zum Ausbilden des einteiligen Kühlkäfigsegmentes zerstörungsfrei unlösbar fluidisch und mechanisch miteinander verbunden.
Ein erfindungsgemäßer Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs weist ein hohlzylinderförmiges Blechpaket mit einer Vielzahl von sich axial erstreckenden Wicklungsnuten, in den Wicklungsnuten angeordnete Wicklungen und eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung auf. Die Kühlvorrichtung ist mit dem Blechpaket zusammengesteckt, indem die Nutkühlkanäle gemeinsam mit den Wicklungen in den Wicklungsnuten des Blechpakets angeordnet sind und die ringsegmentförmigen Abschnitte an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets angeordnet sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Stators wird das zumindest eine einteilige Kühlkäfigsegment als Ganzes axial in den zylinderförmigen Hohlraum des Blechpakets eingeschoben. Dabei werden die Nutkühlkanäle in dem Hohlraum angeordnet und die ringsegmentförmigen Abschnitte werden außerhalb des Hohlraums angeordnet. Dann werden die Nutkühlkanäle radial in die Wicklungsnuten eingeschoben. Dabei werden die ringsegmentförmigen Abschnitte an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets angeordnet.
Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Stator und einem Rotor, welcher in dem Hohlraum des Blechpakets drehbar gelagert ist, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet, welches die elektrische Maschine als Antriebsmaschine umfasst.
Die Kühlvorrichtung dient zum Kühlen des Stators im Betrieb der elektrischen Maschine. Der Stator weist das hohlzylinderförmige Blechpaket sowie die elektrischen Wicklungen auf. Das hohlzylinderförmige Blechpaket weist dabei zwei axial gegenüberliegende ringförmige 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 hohlzylinderförmigen Blechpaktes entspricht. Das Blechpaket weist dabei an einer dem Hohlraum zugewandten Innenseite die Wicklungsnuten zum Aufnehmen der Wicklungen auf. Insbesondere sind die Wicklungsnuten in Umfangsrichtung äquidistant zueinander und über einen gesamten Innenumfang der Innenseite verteilt angeordnet. Sie erstrecken sich in axialer Richtung von einer ersten Stirnseite des Blechpakets bis zu einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Blechpakets. In axialer Richtung, also entlang der Rotationsachse, können die in den Wicklungsnuten angeordneten Wicklungen an den Stirnseiten über das Blechpaket hinausragen und dort einen Wickelkopf ausbilden. Die Wicklungen des Stators können beispielsweise als Formstabwicklungen oder Runddrahtwicklungen ausgebildet sein.
Die Kühlvorrichtung, welche mit dem Blechpaket zusammengesteckt werden kann, kann mit einem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine, welcher ein Kühlmittel bereitstellt, gekoppelt werden. Die Kühlvorrichtung weist die zumindest zwei gegenüberliegenden ringsegmentförmigen Abschnitte auf. Die ringsegmentförmigen Abschnitte sind Hohlkörper bzw. Kühlkanäle, in deren Innenraum das von dem Kühlkreislauf bereitgestellte Kühlmittel entlang der jeweiligen Stirnseite des Blechpakets, also entlang der Umfangsrichtung, geleitet werden kann. Die ringsegmentförmigen Abschnitte können beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Die ringsegmentförmigen Abschnitte weisen insbesondere die gleichen Außenabmessungen auf, sind also im Wesentlichen deckungsgleich ausgebildet. Im angeordneten Zustand des Kühlkäfigsegments an dem Blechpaket überlappen die ringsegmentförmigen Abschnitte zumindest bereichsweise mit den Stirnseiten und sind insbesondere radial benachbart zu den Wickelköpfen angeordnet. Ein Außenradius der ringsegmentförmigen Abschnitte ist somit größer als ein Innenradius des hohlzylinderförmigen Blechpakets.
Die ringsegmentförmigen Abschnitte sind über die sich axial und damit parallel zu den Wicklungsnuten erstreckenden Nutkühlkanäle miteinander mechanisch und fluidisch verbunden. Dazu können einander zugewandte Seiten der Abschnitte Öffnungen aufweisen, an welche sich die Nutkühlkanäle anschließen und über welche Kühlmittel in den jeweiligen Nutkühlkanal eintreten bzw. aus dem jeweiligen Nutkühlkanal austreten kann. Die Nutkühlkanäle erstrecken sich beispielsweise von einer Unterseite des Einleitabschnitts zu einer Oberseite des Aufnahmeabschnitts. Über die Öffnungen in der Unterseite des Einleitabschnitts kann Kühlmittel in die Nutkühlkanäle einfließen und durch die Nutkühlkanäle hindurch entlang der Wicklungsnuten zu den Öffnungen in der Oberseite des Aufnahmeabschnittes fließen. Die Nutkühlkanäle sind also dazu ausgelegt, das Kühlmittel unidirektional in axialer Richtung von dem Einleitabschnitt an der ersten Stirnseite des Blechpakets zu dem Aufnahmeabschnitt an der zweiten Stirnseite des Blechpakets zu leiten. Dabei leitet der Nutkühlkanal im angeordneten Zustand in der Wicklungsnut das Kühlmittel entlang derjenigen Wicklung, welche gemeinsam mit dem Nutkühlkanal in der betreffenden Wicklungsnut angeordnet ist. Der Nutkühlkanal ist dabei entlang der axialen Richtung vollständig umwandet ausgebildet. Dadurch, dass der Einleitabschnitt und der Aufnahmeabschnitt nicht gemeinsam auf einer Stirnseite, sondern an gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets angeordnet sind, können die Nutkühlkanäle besonders einfach ausgebildet werden, da sie das Kühlmittel lediglich unidirektional leiten sollen. Sie benötigen also keinen aufwändig zu fertigenden Hinlauf und Rücklauf. Die Nutkühlkanäle können beispielsweise als rechteckförmige Kühlrohre ausgebildet sein.
Zwei gegenüberliegende Abschnitte sowie mehrere Nutkühlkanäle bilden dabei ein zylindersegmentförmiges Kühlkäfigsegment aus. Die Abschnitte und die Nutkühlkanäle können beispielsweise separat voneinander, vorzugsweise durch Extrusion, gefertigt und vor dem Anordnen am Blechpaket zu einer einstückigen, baulichen Einheit in Form von dem Kühlkäfigsegment zusammengefügt werden. Fügestellen bzw. Kontaktstellen zwischen den Abschnitten und den Nutkühlkanälen können beispielsweise mittels Klebung, Pressung, Dichtungskörpern oder dergleichen abgedichtet werden. Die zusammengefügten, fest verbundenen Abschnitte und Nutkühlkanäle können also insbesondere nicht mehr zerstörungsfrei voneinander gelöst werden und sind vor Montage insbesondere bereits fluiddicht miteinander verbunden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Kühlkäfigsegment bereits vor dem Anordnen an dem Blechpaket auf seine Dichtigkeit hin überprüft werden kann.
Ein Kühlkäfigsegment weist dabei eine bestimmte Anzahl an Nutkühlkanälen auf, welche abhängig von einem Öffnungswinkel des Kühlkäfigsegmentes ist und welche kleiner ist als eine Anzahl an Wicklungsnuten des Blechpakets. Die Kühlvorrichtung weist somit keinen geschlossenen, einteiligen, zylinderförmigen Kühlkäfig mit ringförmigen, gegenüberliegenden Abschnitten auf. Vielmehr kann die Kühlvorrichtung als ein mehrteiliger Kühlkäfig mit mehreren separaten Kühlkäfigsegmenten ausgebildet sein. Die voneinander separaten Kühlkäfigsegmente sind einsteckfertig ausgebildet und können jeweils als Ganzes an dem Blechpaket angeordnet und insbesondere auch zerstörungsfrei wieder von dem Blechpaket gelöst werden. Beispielsweise kann das Kühlkäfigsegment beim radialen Einschieben zusammengedrückt werden, sodass sich Enden der jeweiligen Abschnitte aufeinander zubewegen und somit der Au ßenradius der Abschnitte verkleinert wird. Dadurch kann einer der Abschnitte durch den Hohlraum hindurchgeschoben werden. Dann kann das Kühlkäfigsegment radial nach außen geschoben werden, bis die Abschnitte zumindest bereichsweise überlappend mit der jeweiligen Stirnseite angeordnet sind und die Nutkühlkanäle in den zugeordneten Wicklungsnuten angeordnet sind. Bei einem beispielsweise zylinderförmigen Kühlkäfig, dessen gegenüberliegende ringförmige Abschnitte den gleichen Außenradius aufweisen wie die ringsegmentförmigen Abschnitte, und dessen Durchmesser daher größer ist als der Durchmesser des Hohlraumes, wäre eine solche Montage nicht möglich, da die ringförmigen Abschnitte nicht durch den Hohlraum geschoben werden können.
Vorzugsweise weist das zumindest eine Kühlkäfigsegment einen Öffnungswinkel von weniger als 180°, insbesondere von höchstens 120°, auf. In diesem Fall ist nämlich eine radiale Breite des Kühlkäfigsegmentes kleiner als der Innendurchmesser des Blechpakets bzw. der Durchmesser des Hohlraums. Somit kann das zylindersegmentförmige Kühlkäfigsegment besonders einfach, und ohne Verbiegen des Kühlkäfigsegmentes, in den Hohlraum geschoben und an dem Blechpaket angeordnet werden.
Besonders bevorzugt weist die Leiteinheit einen mit dem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine koppelbaren Kühlmittelanschluss mit einem Zulaufanschluss zum Zuführen des Kühlmittels in die Leiteinheit und mit einem Ablaufanschluss zum Abführen des Kühlmittels aus der Leiteinheit auf, wobei der Zulaufanschluss an dem Einleitabschnitt des zumindest einen Kühlkäfigsegments und der Ablaufanschluss an dem Aufnahmeabschnitt des zumindest einen Kühlkäfigsegments angeordnet ist. Der Zulaufanschluss und der Ablaufanschluss können beispielsweise mit Kühlmittelleitungen des Kühlkreislaufs gekoppelt werden. Insbesondere sind der Zulaufanschluss und der Ablaufanschluss als in radialer Richtung von dem jeweiligen ringsegmentförmigen Abschnitt abstehende Stutzen ausgebildet. Die Stutzen können beispielsweise einstückig mit dem jeweiligen Abschnitt ausgebildet sein und insbesondere von einer Außenseite des Abschnitts radial nach außen abstehen. Somit erhöhen die Stutzen in vorteilhafter Weise eine Höhe des Stators nicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Kühlvorrichtung zumindest zwei separate Kühlkäfigsegmente auf, wobei der Kühlmittelanschluss an einem der Kühlkäfigsegmente angeordnet ist und das zumindest eine weitere Kühlkäfigsegment mit dem den Kühlmittelanschluss aufweisenden Kühlkäfigsegment fluidisch koppelbar ist. Da ein Kühlkäfigsegment weniger Nutkühlkanäle aufweist als das Blechpaket Wicklungsnuten aufweist, kann ein Kühlkäfigsegment nur einen Teilbereich des Blechpakets kühlen. Daher werden mehrere separate, zylindersegmentförmige Kühlkäfigsegmente zu einem mehrteiligen, unterbrochenen zylinderförmigen Kühlkäfig zusammengesetzt bzw. zusammengefügt, sodass vorzugsweise für jede Wicklungsnut ein Nutkühlkanal bereitgestellt ist.
Dabei weist nur ein erstes Kühlkäfigsegment den Kühlmittelanschluss zum Koppeln mit dem Kühlkreislauf auf. Das über den Zulaufanschluss des ersten Kühlkäfigsegmentes eingeführte Kühlmittel kann sich in dem Einlassabschnitt des ersten Kühlkäfigsegmentes verteilen und über die fluidische Kopplung zu dem Einlassabschnitt des anderen, zweiten Kühlkäfigsegments strömen. Von dort aus fließt das Kühlmittel durch die Nutkühlkanäle hindurch zu den Auslassabschnitten. Das in dem Auslassabschnitt des zweiten Kühlkäfigsegmentes gesammelte Kühlmittel kann über die fluidische Kopplung zu dem Auslassabschnitt des ersten Kühlkäfigsegmentes geleitet werden und über den dort angeordneten Ablaufanschluss abfließen.
Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung drei Kühlkäfigsegmente auf, wobei der Kühlmittelanschluss an einem der Kühlkäfigsegmente angeordnet ist und die zwei weiteren Kühlkäfigsegmente zumindest mit dem den Kühlmittelanschluss aufweisenden Kühlkäfigsegment fluidisch koppelbar sind. Somit weist jedes Kühlkäfigsegment einen Öffnungswinkel von höchstens 120° auf und kann somit besonders einfach an dem Blechpaket angeordnet werden. Dabei versorgt das Kühlkäfigsegment mit dem Kühlmittelanschluss die beiden benachbarten und fluidisch angekoppelten Kühlkäfigsegmente mit dem von dem Kühlkreislauf bereitgestellten Kühlmittel.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die ringsegmentförmigen Abschnitte der Kühlkäfigsegmente jeweilige Koppelanschlüsse aufweisen und die Kühlvorrichtung Koppelelemente aufweist, welche zum fluidischen Koppeln von zwei Kühlkäfigsegmenten mit den jeweiligen Koppelanschlüssen verbindbar sind. Die Koppelanschlüsse können beispielweise als an den Abschnitten angeordnete Stutzen ausgebildet sein. Die Koppelelemente können beispielsweise als Muffen oder Rohrstücke ausgebildet sein. Durch das Koppeln der Kühlkäfigsegmente über einige wenige Koppelelemente ergibt sich der Vorteil, dass eine Dichtigkeitsüberprüfung der Kühlvorrichtung nur an diesen einigen wenigen Koppelelementen durchgeführt werden muss.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das zumindest eine Kühlkäfigsegment aus Kunststoff hergestellt ist. Der Kunststoff bzw. das Kunststoffgemisch weist insbesondere eine gute thermische Leitfähigkeit auf. Ein Kunststoff kann besonders einfach durch Extrudieren bearbeitet werden. Ein aus Kunststoff gebildetes Kühlkäfigsegment weist ein geringes Gewicht sowie niedrige Material- und Herstellungskosten aus.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Stator, für die erfindungsgemäßen Verfahren, 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 eines Stators einer elektrischen Maschine;
2 eine schematische Perspektivdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
3 eine Draufsicht auf die Kühlvorrichtung gemäß 2; und
4 eine Schnittdarstellung der Kühlvorrichtung gemäß 2.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Blechpaket 2 eines Stators 1 einer hier nicht gezeigten elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs. Die elektrische Maschine kann beispielsweise ein elektrischer Antriebsmotor für ein als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug sein. Das Blechpaket 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. 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 eine Vielzahl von Wicklungsnuten 6 verteilt. Die Wicklungsnuten 6 erstrecken sich axial entlang der Längsachse L von einer ersten Stirnseite 7 des Blechpakets 2 zu einer der ersten Stirnseite 7 axial gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 8 des Blechpakets 2. In diesen Wicklungsnuten 6 werden hier nicht gezeigte Wicklungen des Stators 1 angeordnet.
Außerdem weist der Stator 1 eine Kühlvorrichtung 9 auf, welche in einer Perspektivdarstellung in 2, in einer Draufsicht in 3 und in einer Schnittdarstellung in 4 gezeigt ist. Die Kühlvorrichtung 9 weist hier drei zueinander separate Kühlkäfigsegmente 10, 10' auf, welche an dem Blechpaket 2 angeordnet werden können bzw. mit dem Blechpaket 2 zusammengesteckt werden können. Jedes Kühlkäfigsegment 10, 10' weist zwei in axialer Richtung gegenüberliegende Abschnitte 11, 12 sowie eine Vielzahl von Nutkühlkanälen 13 auf. Die Abschnitte 11, 12 bilden eine Leiteinheit 14 der Kühlvorrichtung 9, welche dazu ausgelegt ist, den Nutkühlkanälen 13 Kühlmittel zuzuführen und wieder zu entnehmen. Dazu sind beispielsweise die Abschnitte 11 als Einleitabschnitte zum Einleiten von Kühlmittel in die Nutkühlkanäle 13 und die Abschnitte 12 als Aufnahmeabschnitte zum Aufnehmen von Kühlmittel aus den Nutkühlkanälen 13 ausgebildet. Die Nutkühlkanäle 11 sind dazu ausgelegt, das Kühlmittel unidirektional von dem Einleitabschnitt 11 zu dem Aufnahmeabschnitt 12 zu leiten. Das Kühlmittel kann beispielsweise eine Kühlflüssigkeit sein und von einem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine bereitgestellt werden.
Das Kühlkäfigsegment 10' weist hier außerdem einen Kühlmittelanschluss 15 mit einem Zulaufanschluss 16 und einem Ablaufanschluss 16 auf. Der Kühlmittelanschluss 15 kann beispielsweise mit Kühlmittelleitungen des Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine gekoppelt werden. Der Einleitabschnitt 11 des Kühlkäfigsegmentes 10' weist den Zulaufanschluss 16 auf, über welchen Kühlmittel in den Einleitabschnitt 11 eingeführt werden kann. Der Aufnahmeabschnitt 12 des Kühlkäfigsegmentes 10' weist den Ablaufanschluss 17 auf, über welchen das in dem Aufnahmeabschnitt 12 gesammelte Kühlmittel abfließen kann. Der Zulaufanschluss 16 und der Ablaufanschluss 17 sind hier als Stutzen ausgebildet, welche in radialer Richtung R seitlich von den Abschnitten 11, 12 abstehen.
Die Abschnitte 11, 12 der Kühlkäfigsegmente 10, 10' weisen dabei einen Außenradius Ra auf, welcher größer ist als der Innenradius Ri des Blechpakets 2. Da die Kühlkäfigsegmente 10, 10' hier jedoch nur einen Öffnungswinkel α von jeweils 120° aufweisen, kann jedes Kühlkäfigsegment 10, 10' als Ganzes an dem Blechpaket 2 angeordnet werden. Dazu wird das Kühlkäfigsegment 10, 10' beispielsweise mit dem Aufnahmeabschnitt 12 voraus entlang einer axialen Einschubrichtung E durch den Hohlraum 3 des Blechpakets 2 geschoben, bis der Einleitabschnitt 11 über die erste Stirnseite 7 und der Aufnahmeabschnitt 12 über die zweite Stirnseite 8 aus dem Hohlraum 3 hinausragt und die Nutkühlkanäle 13 in dem Hohlraum 3 angeordnet sind. Dann wird das Kühlkäfigsegment 10, 10' in radiale Richtung R geschoben, bis die Nutkühlkanäle 13 in den Wicklungsnuten 6 angeordnet sind. So können die Nutkühlkanäle 13 das Kühlmittel in axialer Richtung A von dem Einleitabschnitt 11 entlang der Wicklungsnuten 6 und damit entlang der Wicklungen zu dem Aufnahmeabschnitt 12 leiten. Ein solches Montieren wäre bei einem zylinderförmigen, einteiligen Kühlkäfig mit dem Außenradius Ra nicht möglich gewesen.
Durch diese einfache Montagemöglichkeit können die Kühlkäfigsegmente 10, 10' einstückig ausgebildet werden. Dies bedeutet, dass die Abschnitte 11, 12 sowie die Nutkühlkanäle 13 eines Kühlkäfigsegmentes 10, 10' bereits vor dem Anordnen an dem Blechpaket 2 fest bzw. zerstörungsfrei unlösbar miteinander verbunden sind, wobei die Dichtstellen zwischen den Nutkühlkanälen 13 und den Abschnitten 11, 12 fluiddicht gegenüber einer Umgebung sind. Beispielsweise können die Abschnitte 11, 12 und die Nutkühlkanäle 13 durch Extrudieren aus einem Kunststoff bzw. Kunststoffgemisch mit hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellt werden und vor dem Anordnen an dem Blechpaket 2 zusammengefügt werden.
Im angeordneten Zustand aller Kühlkäfigsegmente 10, 10' am Blechpaket 2 ergibt sich ein mehrteiliger, zylinderförmiger Kühlkäfig, durch welchen in jeder Wicklungsnut 6 ein Nutkühlkanal 13 angeordnet ist. So kann der Stator 1 entlang der Umfangsrichtung U vollständig gekühlt werden. Die Kühlkäfigsegmente 10 sind dabei über Koppelelemente 17 mit dem Kühlkäfigsegment 10' fluidisch gekoppelt. Hierdurch kann das über den Zulaufanschluss 16 des Kühlkäfigsegments 10' zugeführte Kühlmittel auch in die Einleitabschnitte 11 der Kühlkäfigsegmente 10 fließen und das in den Aufnahmeabschnitten 12 der Kühlkäfigsegmente 10 gesammelte Kühlmittel auch über den Ablaufanschluss 17 des Kühlkäfigsegments 10' abfließen. Durch das einstückige Ausbilden der Kühlkäfigsegmente 10, 10' müssen nach Anordnen der Kühlkäfigsegmente 10, 10' am Blechpaket 2 nur noch die Dichtungsstellen der Koppelelemente 18 überprüft werden.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Blechpaket
3: Hohlraum
4: Innenseite
5: Au ßenseite
6: Wicklungsnut
7: erste Stirnseite
8: zweite Stirnseite
9: Kühlvorrichtung
10, 10': Kühlkäfigsegmente
11: Einleitabschnitt
12: Aufnahmeabschnitt
13: Nutkühlkanal
14: Leiteinheit
15: Kühlmittelanschluss
16: Zulaufanschluss
17: Ablaufanschluss
18: Koppelelement
L: Längsachse
U: Umfangsrichtung
R: radiale Richtung
E: Einschubrichtung
Ra: Außenradius
Ri: Innenradius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015012913 A1 [0003]

Claims

Kühlvorrichtung (9) für einen Stator (1) einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs zum Zusammenstecken mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket (2) des Stators (1), aufweisend - mehrere Nutkühlkanäle (13) zum Leiten von Kühlmittel eines Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine entlang von sich in dem Blechpaket (2) axial erstreckenden Wicklungsnuten (6), und - eine mit den Nutkühlkanälen (13) fluidisch und mechanisch verbundene Leiteinheit (14), welche dazu ausgelegt ist, das Kühlmittel in die Nutkühlkanäle (13) einzuleiten und aus den Nutkühlkanälen (13) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinheit (14) zumindest zwei einander axial gegenüberliegende ringsegmentförmige Abschnitte (11, 12) zum Anordnen an gegenüberliegenden Stirnseiten (7, 8) des Blechpakets (2) aufweist, welche unter Ausbildung zumindest eines einteiligen Kühlkäfigsegments (10, 10') fest mit den Nutkühlkanälen (13) verbunden sind, wobei der eine Abschnitt (11) als ein Einleitabschnitt zum Einleiten des Kühlmittels in die Nutkühlkanäle (13) und der gegenüberliegende andere Abschnitt (12) als ein Aufnahmeabschnitt zum Aufnehmen des Kühlmittels aus den Nutkühlkanälen (13) ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlkäfigsegment (10, 10') einen Öffnungswinkel (a) von weniger als 180°, insbesondere von höchstens 120°, aufweist.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinheit (14) einen mit dem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine koppelbaren Kühlmittelanschluss (15) mit einem Zulaufanschluss (16) zum Zuführen des Kühlmittels und einem Ablaufanschluss (17) zum Abführen des Kühlmittels aufweist, wobei der Zulaufanschluss (16) an dem Einleitabschnitt (11) des zumindest einen Kühlkäfigsegments (10, 10') und der Ablaufanschluss (17) an dem Aufnahmeabschnitt (12) des zumindest einen Kühlkäfigsegments (10, 10') angeordnet ist.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufanschluss (16) und der Ablaufanschluss (17) als in radialer Richtung (R) von dem jeweiligen ringsegmentförmigen Abschnitt (11, 12) abstehende Stutzen ausgebildet sind.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (9) zumindest zwei separate Kühlkäfigsegmente (10, 10') aufweist, wobei der Kühlmittelanschluss (15) an einem Kühlkäfigsegment (10') angeordnet ist und das zumindest eine weitere Kühlkäfigsegment (10) mit dem den Kühlmittelanschluss (15) aufweisenden Kühlkäfigsegment (10') fluidisch koppelbar ist.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (9) drei Kühlkäfigsegmente (10, 10') aufweist, wobei der Kühlmittelanschluss (15) an einem Kühlkäfigsegment (10') angeordnet ist und die zwei weiteren Kühlkäfigsegmente (10) zumindest mit dem den Kühlmittelanschluss (15) aufweisenden Kühlkäfigsegment (10') fluidisch koppelbar sind.
Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ringsegmentförmigen Abschnitte (11, 12) der Kühlkäfigsegmente jeweilige Koppelanschlüsse aufweisen und die Kühlvorrichtung (9) Koppelelemente (18) aufweist, welche zum fluidischen Koppeln von zwei Kühlkäfigsegmenten (10, 10') mit den jeweiligen Koppelanschlüssen verbindbar sind.
Kühlvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlkäfigsegment (10, 10') aus Kunststoff hergestellt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei ringsegmentförmigen Abschnitte (11, 12) und die Nutkühlkanäle (13) separat voneinander hergestellt werden und zum Ausbilden des einteiligen Kühlkäfigsegmentes (10, 10') zerstörungsfrei unlösbar fluidisch und mechanisch miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei ringsegmentförmigen Abschnitte (11,12) und die Nutkühlkanäle (13) mittels Extrusion aus einem Kunststoff hergestellt werden.
Stator (1) für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs mit einem hohlzylinderförmigen Blechpaket (2), welches in einer Umfangsrichtung (U) eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Wicklungsnuten (6) aufweist, mit Wicklungen, welche in den Wicklungsnuten (6) angeordnet sind, und mit einer Kühlvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kühlvorrichtung (9) mit dem Blechpaket (2) zusammengesteckt ist, indem die Nutkühlkanäle (13) gemeinsam mit den Wicklungen in den Wicklungsnuten (6) des Blechpakets (2) angeordnet sind und die ringsegmentförmigen Abschnitte (11, 12) an axial gegenüberliegenden Stirnseiten (7, 8) des Blechpakets (2) angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines Stators (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass - in einem ersten Schritt das zumindest eine einteilige Kühlkäfigsegment (10, 10') als Ganzes axial in einen zylinderförmigen Hohlraum (3) des Blechpakets (2) eingeschoben wird und dabei die Nutkühlkanäle (13) in dem Hohlraum (3) angeordnet werden und die ringsegmentförmigen Abschnitte (11, 12) außerhalb des Hohlraums (3) angeordnet werden, und - in einem zweiten Schritt die Nutkühlkanäle (13) radial in die Wicklungsnuten (6) eingeschoben werden und dabei die ringsegmentförmigen Abschnitte (11, 12) an den gegenüberliegenden Stirnseiten (7, 8) des Blechpakets (2) angeordnet werden.
Elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Stator (1) nach Anspruch 11 und einem Rotor, welcher in dem Hohlraum (3) des Blechpakets (2) drehbar gelagert ist.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 13.