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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorring mit am Innen- oder am Außenumfang angeordneten Nuten, wobei in jeder Nut mehrere längs der Nut verlaufende Leiter mit einem rechteckigen Querschnitt, die jeweils mit einer Isolationsschicht belegt sind, aufgenommen sind.
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Der aktive Teil einer elektrischen Maschine besteht grundsätzlich aus einem ortsfesten Teil, dem sogenannten Stator, und einem sich bewegenden Teil, dem sogenannten Rotor. Im Stator befinden sich Leiter, die durch geeignete Bestromung ein sich drehendes Magnetfeld erzeugen. Über eine Wechselwirkung mit dem Rotor übt der Stator eine Kraft auf den Rotor aus, was zu dessen Bewegung führt. Der Stator weist hierzu einen Statorring mit je nach Typ der elektrischen Maschine am Innen- oder am Außenumfang angeordnete Nuten auf, wobei die Leiter in die längs des Stators, parallel zu dessen Längsachse verlaufenden Nuten eingebrachten sind. Diese Leiter können beispielsweise als Wicklungen in die Nuten eingebracht und um die Statorzähne gewickelt werden. Hierfür sind eine Vielzahl von einzelnen Produktionsschritten notwendig. Der zentrale Vorgang ist das Einbringen der Kupferleiter respektive der gewickelten Kupferspulen in den Statorring, der üblicherweise aus einem Blechpaket besteht. Gängige Verfahren hierfür sind die Nadelwickeltechnik und die Einziehtechnik. Bei dieser Herstell- oder Wickeltechnik werden im Querschnitt runde Leiter verwendet.
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Eine Alternative zu diesen Techniken ist die sogenannte „Hairpin“-Technologie, bei der anstelle von Runddrahtleitern Profildrahtleiter mit einem rechteckigen Querschnitt in die Statornuten eingeschoben werden. Aufgrund dieser Leitergeometrie kann ein höherer Leiter- respektive Kupferfüllfaktor in den einzelnen Nuten erreicht werden. Hierfür werden die Profildrahtleiter aus einem rechteckigen Draht zunächst außerhalb des Stators in die entsprechende Form gebogen, die der Form einer Haarnadel ähnelt, woher auch der Name resultiert. Üblicherweise werden zwischen 2 - 10 Leiter pro Nut eingeschoben. Als Leiter werden isolierte Drähte verwendet, das heißt, dass auf dem Kupferkern eine Isolationsschicht aufgebracht ist. Hierbei kann es sich entweder um einen Lack handeln, der aufgetragen wird, alternativ kann auch eine Kunststoffschicht auf dem Draht aufextrudiert werden. Diese Kunststoffschicht kann, je nach gewünschter Isolationsklasse, beispielsweise aus PEEK, aus PPS oder einem anderen Isolationskunststoff bestehen.
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Bei Betrieb kommt es in Folge der Bestromung der Leiter zu einer Erwärmung. Die Wärme muss abgeführt werden, was bei einer sogenannten „trockenen Maschine“ üblicherweise vom Kupferdraht über die Drahtisolationsschicht, eine Nutgrundisolationsschicht, die den Nutgrund isoliert, das Blechpaket und einen Kühlmantel hin zu einem Kühlmedium, also einer Wärmesenke, erfolgt. Die Kühlstrecke ist also lang, die Kühlung mitunter nicht allzu gut. Die Dauerleistung einer elektrischen Maschine hängt jedoch direkt von der möglichen Kühlleistung ab, das heißt, dass eine effektive und gute Kühlung eines der wichtigsten Merkmale einer elektrischen Maschine ist.
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Aus
WO 2007/128 275 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem Stator bekannt, in dessen Nuten rechteckige Leiter aufgenommen sind. Zur Ermöglichung einer direkten Kühlung im Leiterpaket sind die Leiter selbst mit einer Kühlmittelbohrung, die einen Kanal bildet, versehen.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen eine verbesserte Kühlung ermöglichenden Stator anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Stator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Ausbildung eines von einem Kühlmittel durchströmbaren Kanals die Isolationsschicht wenigstens eines der Leiter wenigstens eine längs des Leiters verlaufende Vertiefung aufweist.
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Die erfindungsgemäße Statorausbildung ermöglicht auf einfache Weise die Ausbildung eines oder je nach Ausgestaltung mehrerer Kühlmittelkanäle direkt im Leiterpaket selbst. Hierzu ist die Isolationsschicht entsprechend strukturiert, indem es wenigstens eine längs des Leiters laufende Vertiefung aufweist, die den durchströmbaren Kanal definiert. In den Nuten, die sich axial längs des Statorrings erstrecken und radial in die Tiefe laufen, sind die rechteckigen Leiter radial hintereinander angeordnet. In einer Nut sind beispielsweise vier oder sechs oder mehr solcher Rechteck-Leiter hintereinander eingeschoben, jedoch über ihre jeweiligen Isolationsschichten einerseits voneinander isoliert, andererseits aber auch zum Stator selbst, der üblicherweise in der Nut mit einer zusätzlichen Isolationsschicht belegt ist. Ist nun die Isolationsschicht eines oder mehrerer der Leiter mit einer entsprechenden Vertiefung ausgeführt, so kann die Isolationsschichtvertiefung entweder mit einer benachbarten Isolationsschicht eines benachbarten Leiters einen Kanal definieren und begrenzen oder mit einem benachbarten Umgebungsbauteil respektive hier der Nutgrundisolationsschicht der Statornut. In jedem Fall bildet sich über die Vertiefung in der Isolationsschicht ein fluiddichter, längs des Stators laufender Kühlmittelkanal, durch den ein Kühlmittel geführt werden kann. Es ergibt sich also einerseits eine extrem hohe Packungsdichte innerhalb der Nut, nachdem die Leitergeometrie hinsichtlich Breite und Dicke auf die Nutgeometrie abgestimmt ist, andererseits ergibt sich trotz allem die Möglichkeit, unmittelbar in dem Leiterpaket eine Kühlmöglichkeit zu realisieren, indem dort ein oder mehrere solcher Kühlkanäle integriert werden. Je nachdem, wie viele Leiter in der Nut gepackt sind, und wie viele Leiter mit einer Vertiefung versehen sind, kann natürlich eine entsprechende Vielzahl an Kanälen verteilt über den Nutquerschnitt definiert werden.
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Der oder die Kanäle sind natürlich eingangs- und ausgangsseitig mit einer entsprechenden Kühlmittelleitung verbunden, so dass ein definierter Kühlfluidfluss realisiert werden kann. Der Wärmeübergang erfolgt hier also unmittelbar im Bereich der Wärmequelle selbst, so dass die Wärme von dem Leiter als Wärmequelle nur über die Isolationsschicht zu führen ist, und dann unmittelbar an das Kühlmedium, also die Wärmesenke, abgegeben wird. Verglichen mit der bisherigen Kühlweise ergibt sich hierüber eine deutlich effizientere Kühlung, was der Leistungsfähigkeit und dem Wirkungsgrad einer mit einem erfindungsgemäßen Stator gebildeten elektrischen Maschine zuträglich ist.
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Wie beschrieben kann es sich bei der Isolationsschicht der Leiter (und Entsprechendes gilt auch für die Nutgrundisolationsschicht der Statornut) entweder um einen Lack handeln, oder, bevorzugt, um eine aufextrudierte Isolationsschicht aus einem Isolationskunststoff. Insbesondere im Fall der aufextrudierten Isolationsschicht ist die Ausbildung einer entsprechenden Vertiefung besonders einfach möglich, da die Vertiefung bereits während des Extrusionsvorgangs erzeugt werden kann, indem das Extrusionswerkzeug entsprechend ausgebildet respektive geformt ist. Aber auch im Falle der Belegung mit einem zähflüssigen Lack, der aushärtet, kann eine entsprechende Vertiefung realisiert werden, indem der Lack lokal weniger stark aufgetragen wird, um die Vertiefung auszubilden, als in den Umgebungsbereichen.
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Wie beschrieben können mehrere Leiter jeweils wenigstens eine Vertiefung zur Ausbildung mehrerer längslaufender Kanälen aufweisen, so dass eine Vielzahl an Kanälen verteilt über den Nutquerschnitt gebildet werden können. Je mehr Kanäle vorgesehen sind, umso größer ist natürlich der gesamte effektive Kühlquerschnitt und umso mehr Wärmeübergangszonen zum Kühlmittel sind gegeben.
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Die Kanalausbildung kann wie beschrieben entweder zwischen zwei benachbarten Isolationsschichten zweier benachbarter Leiter erfolgen, wobei in diesem Fall, da die rechteckigen Leiter quasi der Reihe nach in der Nut eingebracht sind, bei Ausbildung mehrerer Leiter diese radial nach außen aufeinander abfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, den oder die Kanäle zwischen der Isolationsschicht oder einer die Nut auskleidenden Nutisolationsschicht auszubilden. In diesem Fall befindet sich also die oder befinden sich die mehreren Vertiefungen an den Seiten der Leiter, die benachbart zur Nutisolationsschicht liegen respektive an dieser angrenzen. Das heißt, dass verschiedene Grenzflächenbereiche gegeben sind, an bzw. zwischen denen die Kanalausbildung erfolgen kann.
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In einer einfachsten Ausgestaltung weist die Isolationsschicht an nur einer Seite, beispielsweise bei rechteckiger Ausführung an einer breiten Seiten, die der Isolationsschicht eines benachbarten Leiters zugewandt ist, eine Vertiefung auf. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass, wie beschrieben, die Isolationsschicht an mehreren Seiten jeweils wenigstens eine Vertiefung aufweist. Dies können einander gegenüberliegende Seiten sein, so dass, wenn beispielsweise alle Leiter an gegenüberliegenden Seiten entsprechende Vertiefungen aufweisen, zwei Vertiefungen einander zu einem im Querschnitt größeren Kanal ergänzen. Daneben können die Vertiefungen aber auch um 90° versetzt zueinander liegen, so dass ein erster Kanal zwischen zwei Isolationsschichten zweier benachbarter Leiter und ein zweiter Kanal zwischen der Isolationsschicht eines Leiters und der Nutgrundisolation gebildet wird. Denkbar ist auch die Ausbildung an drei oder allen vier Seiten, so dass eine Vielzahl an Einzelkanälen oder einander ergänzenden Kanälen gebildet wird. Liegen die Vertiefungen an einander gegenüberliegenden Seiten, so sind sie zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass sich benachbarte Vertiefungen zweier benachbarter Isolationsschichten zu einem größeren Kanal ergänzen.
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Wie beschrieben handelt es sich bei der Isolationsschicht bevorzugt um eine Kunststoffbeschichtung, die in einem Extrusionsverfahren aufgebracht ist, wobei ein solches Extrusionsverfahren die Ausbildung der Vertiefung, auch mit einer unterschiedlichen Geometrie, auf einfache Weise erlaubt. Die Vertiefungsgeometrie kann grundsätzlich eckig oder rundlich sein, das heißt, dass sie einen eckigen oder rundlichen respektive gewölbten Querschnitt aufweist. Dabei kann zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche in der Vertiefung ein oder können mehrere stegartige Vorsprünge aus dem Isolationsmaterial vorgesehen sein, so dass sich quasi bei einer relativ breiten Vertiefung und mehreren Vorsprüngen eine Art Kammstruktur ergibt.
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Eine zweckmäßige Ausbildungsvariante der Erfindung sieht vor, dass bei einer Ausbildung des Kanals zwischen zwei benachbarten Isolationsschichten nur an einer zu einer benachbarten Isolationsschicht weisenden Seite eine Vertiefung ausgebildet ist, wobei die Dicke der Isolationsschicht an der Seite, an der die Vertiefung ausgebildet ist, größer als an der gegenüberliegenden Seite ist. Die Isolationsschicht ist gemäß dieser Erfindungsvariante also nicht an allen vier Seiten gleich dick, sondern ist beispielsweise an drei Seiten relativ dünn, während sie an der vierten Seite, die benachbart zur Isolationsschicht eines benachbarten Leiters liegt, dicker ist, wobei an dieser dickeren Seite die Vertiefung ist. Diese Dickenvariation ist zweckmäßig, um den Kupferfüllfaktor, also die Masse an Leitermaterial in der Nut, möglichst hoch zu halten.
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Neben dem Stator selbst betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator nach einen der vorangehenden Ansprüche.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem erfindungsgemäßen Stator,
- 2 eine vergrößerte Detailansicht des Bereichs II aus 1,
- 3 eine vergrößerte Detailansicht eines Leiters nebst Isolationsschicht aus der Anordnung gemäß 2,
- 4 die Anordnung aus 2 im Betriebszustand mit in den Kanälen befindlichem Kühlmittel,
- 5 eine Prinzipdarstellung eines Leiters einer zweiten Ausführungsform, und
- 6 eine Ansicht entsprechend 2 mit in der Nut eingebrachten Leitern gemäß 5.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1, umfassend einen Rotor 2 und einen den Rotor 2 umgebenden Stator 3 mit einem Statorring 4, an dem eine Vielzahl von axial verlaufenden und sich radial erstreckenden Nuten 5 ausgebildet ist. In jeder Nut 5 sind mehrere Leiter 6 aufgenommen, die, siehe 2, querschnittlich rechteckig sind und die radial gesehen hintereinander abfolgend in der jeweiligen Nut 5 aufgenommen sind. Bei den Leitern 6 handelt es sich bevorzugt um rechteckige Kupferleiter, die jeweils mit einer Isolationsschicht 7 vollständig eingefasst sind. Auch die Nut 5 ist vollständig mit einer Nutgrundisolationsschicht 8 belegt, so dass sichergestellt ist, dass die Leiter 6 untereinander sowie auch zum Statorring 4, der aus einem Blechpaket besteht, isoliert sind.
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3 zeigt in einer vergrößerten Teilansicht einen Leiter 6 sowie die ihn umgebende Isolationsschicht 7, bei der es sich um eine in einem Kunststoffextrusionsverfahren aufextrudierte Kunststoffisolationsschicht handelt. Die Isolationsschicht 7 weist an der in 3 gezeigten oberen Seite 11 eine hier gewölbt ausgeführte Vertiefung 9 auf, die sich axial über die gesamte Leiterlänge erstreckt und die randseitig über entsprechende Randstege 10 begrenzt ist. An dieser Seite 11 ist die Isolationsschicht 7 deutlich dicker, sie weist eine Dicke d auf, die größer ist als die Dicke d' an den Seiten 12 des rechteckigen Leiters 6 und die deutlich größer ist als die Dicke d" an der gegenüberliegenden Unterseite 13. Die Ausbildung eines solchen Dickenprofils sowie der Vertiefung 9 ist in dem beschriebenen Kunststoffverfahren besonders einfach möglich.
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Wie 2 deutlich zeigt, liegen die Leiter 6 mit den Isolationsschichten 7 radial gesehen aneinander an, so dass die jeweilige obere Seite 11 der Isolationsschicht 7 mit der Vertiefung 9 an die gegenüber deutlich dünnere Unterseite 13 der Isolationsschicht 7 des benachbarten Leiters 6 anliegt. Die Randstege der Oberseite 11 liegen dabei dicht an der Unterseite 13 der Isolationsschicht 7 des benachbarten Leiters 6 an, so dass sich zwischen den benachbarten Isolationsschichten 7 jeweils ein abgedichteter Kanal 14 ausbildet, der sich über die gesamte Länge des Leiterpakets erstreckt. Die Seiten 12 der Isolationsschicht 7 jeden Leiters 6 liegt dicht an der Nutgrundisolation 8 an, so dass sich demzufolge positionsfeste, abgedichtete Kanäle 14 ergeben, die, nachdem im gezeigten Beispiel gemäß 3 jeder Leiter 6 eine Isolationsschicht 7 eine Vertiefung 9 aufweist, zwischen den Leitern 6 ausgebildet sind. Ein Kanal 14 ist jedoch zwischen der Vertiefung 9 des obersten Leiters und der Nutgrundisolation 8 ausgebildet.
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Durch jeden der Kanäle 14 kann nun, bevorzugt über eine gemeinsame Zu- und Ableitung, ein Kühlmittel 15 strömen, wie in 4 gezeigt. Das heißt, dass über die Kanäle 14 unmittelbar in das Leiterpaket selbst entsprechende Kühlkanäle integriert werden können, also der Wärmeübergang direkt im Bereich der Wärmequelle erfolgt und mithin eine äußerst effiziente Kühlung ist.
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Wenngleich beim Ausführungsbeispiel gemäß der 1 - 4 an jeder Isolationsschicht 7 nur eine Vertiefung ausgebildet ist, ist es natürlich auch denkbar, mehrere Vertiefungen 9 an der Isolationsschicht 7 vorzusehen. Ein Beispiel für einen solchen Leiter ist in 5 gezeigt. Die Isolationsschicht 7 des auch hier rechteckigen Kupferleiters 6 weist an der Oberseite 11 die bereits bekannte Vertiefung 9 auf. Bei dieser Ausgestaltung sind auch an den beiden Seiten 12 der Isolationsschicht 7 entsprechende Vertiefungen 9 ausgebildet, so dass sich bei diesem Beispiel insgesamt drei Vertiefungen 9 ergeben.
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In der in 6 gezeigten Prinzipdarstellung der Montageanordnung ergeben sich demzufolge pro Leiter 6 drei Kanäle 14, nämlich ein erster Kanal zwischen der oberseitigen Vertiefung 9 und der Unterseite 13 des benachbarten Leiters 6 sowie zwei weitere seitliche Kanäle 14 zwischen den Seitenflächen 12 und den dortigen Vertiefungen 9 und der Nutgrundisolation 8. Ebenso ergibt sich ein Kanal 14 zwischen der Isolationsschicht 7 des obersten Leiters 6 und der Nutgrundisolation 8.
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Bei dieser Erfindungsausgestaltung ist folglich der gesamte effektive Kanalquerschnitt, verglichen mit der Ausgestaltung gemäß 2, größer, im Gegenzug verringert sich das Leitervolumen geringfügig.
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Die vorstehenden Ausführungsbeispiele sind lediglich exemplarischer Natur. So ist es natürlich denkbar, dass die jeweiligen Vertiefungen auch eine andere Geometrie aufweisen können. Sie können rechteckig sein, in ihnen können ein oder mehrere vorspringende Stege zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche vorgesehen sein und Ähnliches. Auch kann die Verteilung der Vertiefungen 9 an den Flächen 11, 12 und 13 natürlich anders sein als in den Ausführungsbeispielen dargestellt. Ebenso kann natürlich auch die Anzahl der Leiter 6 in der jeweiligen Nut 5 variieren. Anstelle der gezeigten sechs Leiter 6 können auch weniger oder mehr, bis üblicherweise hin zu zehn Leitern, vorgesehen sein, wobei die Leiter auch in zwei parallele Reihen angeordnet sein können. In diesem Fall würden sich zwei an benachbarten Seiten 12 vorgesehene Vertiefungen 9 zu einem größeren Kanal 14 ergänzen.
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Auch ist es nicht zwingend erforderlich, dass die rechteckigen Leiter 6 in einer Nut 5 nur in einer Reihe angeordnet sind. Es ist durchaus denkbar, beispielsweise auch zwei parallele Reihen aus separaten Leitern 6 mit separaten Isolationsschichten 7 mit entsprechend ausgebildeten Kanälen 14 vorzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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