DE102018219820A1

DE102018219820A1 - Isolationskörper für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102018219820A1
Application number: DE102018219820.9A
Authority: DE
Inventors: Roberto Almeida e Silva; Bernd Blankenbach; Terry Cox; Philip Grabherr; Niklas Kull; Tim Male; Peter Pisek; Peter Sever; Josef Sonntag; Martin Williams
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2020-06-04
Also published as: JP2020089261A; US11451103B2; JP7430518B2; CN111200325A; US20200161917A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Isolationskörper (100) für eine elektrische Maschine (1). Der Isolationskörper (100) umfasst Außenwandungen (101a, 101b, 101c, 101d) aus einem Kunststoff (K), die einen Körperinnenraum (104) begrenzen. Im Körperinnenraum (104) sind wenigstens eine Wicklungszone (106a, 106b) zur Aufnahme einer Statorwicklung (6) und wenigstens eine Kanalzone (107a, 107b) zur Aufnahme eines Kühlkanals (10) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Isolationskörper. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.
Bei einer derartigen elektrischen Maschine kann es sich allgemein um einen Elektromotor oder um einen Generator handeln. Die elektrische Maschine kann als Außenläufer oder als Innenläufer ausgebildet sein.
Eine gattungsgemäße Maschine ist beispielsweise aus der US 5,214,325 bekannt. Sie umfasst ein Gehäuse, das einen Innenraum umgibt und das einen in einer Umfangsrichtung des Gehäuses umlaufenden, den Innenraum radial begrenzenden Mantel, axial einerseits eine den Innenraum axial begrenzende Rückseitenwand und axial andererseits eine den Innenraum axial begrenzende Vorderseitenwand aufweist. Fest mit dem Mantel ist ein Stator der Maschine verbunden. Im Stator ist ein Rotor der Maschine angeordnet, wobei eine Rotorwelle des Rotors über ein vorderes Wellenlager an der Vorderseitenwand drehbar gelagert ist.
Typischerweise umfasst der Stator einer herkömmlichen elektrischen Maschine Statorwicklungen, die im Betrieb der Maschine elektrisch bestromt werden. Dabei entsteht Wärme, die zur Vermeidung einer Überhitzung und einer damit verbundenen Beschädigung oder gar Zerstörung des Stators abgeführt werden muss. Hierzu ist es aus herkömmlichen elektrischen Maschinen bekannt, diese mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Stators - insbesondere besagter Statorwicklungen - auszustatten. Eine solche Kühleinrichtung umfasst einen oder mehrere Kühlkanäle, die von einem Kühlmittel durchströmt werden und in der Nähe der Statorwicklungen im Stator - typischerweise in den Statornuten, also in den Zwischenräumen zwischen zwei in Umfangsrichtung des Stators benachbarten Statorzähnen, in welchen auch die Statorwicklungen aufgenommen sind - angeordnet sind. Durch Wärmeübertragung von den Statorwicklungen auf das Kühlmittel kann Wärme vom Stator abgeführt werden.
Als nachteilig erweist sich dabei, dass ein effizienter Wärmeübergang vom Stator auf das durch den jeweiligen Kühlkanal strömende Kühlmittel nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand realisierbar ist. Dies wirkt sich jedoch nachteilig auf die Herstellungskosten der elektrischen Maschine aus.
Als problematisch erweist sich bei herkömmlichen Maschinen darüber hinaus, dass es zwischen den Statorwicklungen und dem durch den Kühlkanal geführten Kühlmittel sowie zwischen den Statorwicklungen und den Statorzähnen des Stators unter Umständen zu einem unerwünschten elektrischen Kurzschluss kommen kann, wenn die Wicklungsisolation der Statorwicklungen - beispielsweise fertigungsbedingt oder hervorgerufen im Zuge der Montage - beschädigt sein sollte und nach dem Einbringen der Statorwicklungen in dem Zwischenraum diese - etwa montagebedingt - den Kühlkanal bzw. das Kühlmittel oder die Statorzähne berühren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine zu schaffen, bei welcher dieser Nachteil weitgehend oder gar vollständig beseitigt ist. Insbesondere soll eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine geschaffen werden, welche sich durch eine verbesserte Kühlung der Statorwicklungen des Stators auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, eine elektrischen Isolationskörper zu schaffen, der als vorgefertigte Baueinheit in einen Zwischenraum - die sog. Statornut - zwischen zwei Statorzähnen eines Stators einer elektrischen Maschine eingesetzt werden kann. Nach dem Einsetzen des Isolationskörpers in den Zwischenraum bzw. in die Statornut können die Statorwicklungen in den Zwischenraum eingebracht werden. Der dort vorhandene Isolationskörper erleichtert dabei einerseits die Positionierung der Statorwicklungen im jeweiligen Zwischenraum und kann andererseits die erforderliche elektrische Isolierung der Statorwicklung gegenüber dem Kühlkanal bzw. dem durch den Kühlkanal im Betrieb der elektrischen Maschine geführten Kühlmittel sicherstellen, dient also insbesondere als Wärmeübertragungsmedium. Letzteres bedeutet, dass von der Statorwicklung erzeugte Abwärme über den Kunststoff an den im Zwischenraum vorhandenen Kühlkanal übertragen werden kann, der im Betrieb der Maschine von Kühlmittel durchströmt wird. Durch Wahl eines geeigneten Kunststoffs mit hoher Wärmleitfähigkeit kann dieser Effekt verbessert werden. Da ein Kunststoff typischerweise elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist, ist es zudem möglich, die innerhalb des Isolationskörpers angeordnete Statorwicklungen elektrisch gegenüber den Statorzähnen zu isolieren. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss zwischen den Leiterelemente der Statorwicklung kann - auch im Falle einer beschädigten Wicklungsisolation - auf diese Weise ausgeschlossen werden.
Eine erfindungsgemäße Maschine umfasst einen Rotor, der um eine Rotationsachse drehbar ist, durch welche eine axiale Richtung der elektrischen Maschine definiert ist, und einen Stator, der elektrisch leitende Statorwicklungen aufweist. Ferner umfasst die Maschine wenigstens einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal zum Kühlen der Statorwicklungen. Dabei besitzt der Stator sich entlang der axialen Richtung erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung des Rotors beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne, die von einem Statorkörper des Stators, vorzugsweise radial nach innen, abstehen und die Statorwicklungen tragen. Zwischen zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen ist jeweils ein Zwischenraum ausgebildet. Erfindungsgemäß ist in zumindest einem Zwischenraum ein Isolationskörper angeordnet bzw. aufgenommen. Bevorzugt ist in mehreren Zwischenräumen des Stators ein solcher Isolationskörper angeordnet, besonders bevorzugt in allen Zwischenräumen. Dieser Isolationskörper umfasst Außenwandungen aus einem Kunststoff, welche einen Körperinnenraum teilweise begrenzen. Bevorzugt ist der Kunststoff elektrisch isolierend ausgebildet. Außerdem kann der Kunststoff auch zur Wärmeübertragung verwendet werden. Im Körperinnenraum sind welchem wenigstens einen Wicklungszone zur Aufnahme einer Statorwicklung und wenigstens eine Kanalzone zur Aufnahme eines Kühlkanals vorhanden. Erfindungsgemäß ist in der wenigstens einen Wicklungszone des Isolationskörpers eine Statorwicklung angeordnet. Ebenso ist in der wenigstens einen Kanalzone des Isolationskörpers ein Kühlkanal zum Durchströmen mit einem Kühlmittel angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Isolationskörper wenigstens eine Trennwandung aus dem, bevorzugt elektrisch isolierenden, Kunststoff, welche den Körperinnenraum in die wenigstens eine Wicklungszone und in die wenigstens eine Kanalzone unterteilt. Werden nach Montage des Isolationskörpers in der Statornut im Zuge des Zusammenbaus des Stators die Statorwicklungen in der Wicklungszone und der Kühlkanal in der Kanalzone des Isolationskörpers angeordnet, so kann auf diese Weise ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss zwischen der Statorwicklung - auch bei beschädigter Wicklungsisolation - und dem Kühlkanal mit dem Kühlmittel ausgeschlossen werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung sind im Körperinnenraum zwei Kanalzonen zur Aufnahme eines ersten und eines zweiten Kühlkanals vorgesehen. Bei dieser Weiterbildung ist - im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung - die wenigstens eine Wicklungszone zwischen den beiden Kanalzonen angeordnet und mittels zweier Trennwandungen von diesen beiden Kanalzonen getrennt. Eine solche geometrische Anordnung der Statorwicklungen relativ zu den beiden Kühlkanälen ermöglicht es, von der Statorwicklung Abwärme beidseitig an beide Kühlkanäle zu übertragen. Auf diese Weise kann eine besonders starke Kühlung der Statorwicklungen erzielt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind nicht nur eine einzige, sondern zwei Wicklungszonen vorgesehen, die in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung benachbart zueinander angeordnet sind. Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung sind die Wicklungszonen mittels einer Phasenisolation aus dem Kunststoff voneinander getrennt. Auf diese Weise wird ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss zwischen in den beiden verschiedenen Wicklungszonen angeordneten Leiterelementen ausgeschlossen. Dies gilt insbesondere, wenn als Material für die Trennwandung ein elektrisch isolierender Kunststoff gewählt wird. Dies gestattet es, Leiterelemente in den beiden Wicklungszone anzuordnen, die elektrisch getrennt voneinander an unterschiedliche elektrische Phasen einer Stromquelle angeschlossen werden können. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die elektrische Maschine als zweiphasige Maschine betrieben werden soll.
Zweckmäßig kann besagte Phasenisolation durch eine weitere Trennwandung des Isolationskörpers gebildet sein. Besonders bevorzugt ist besagte Trennwandung materialeinheitlich oder sogar integral an den Außenwandungen des Isolationskörpers ausgebildet. Mit dieser Variante gehen besonders geringe Fertigungskosten einher.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Außenwandungen und die wenigstens eine Trennwandung entlang einer axialen Richtung. Bei dieser Ausführungsform sind in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung die wenigstens eine Wicklungszone und die Kanalzone benachbart zueinander angeordnet. Dies ermöglicht es, die Statorwicklungen und den Kühlkanal zum Kühlen der Statorwicklung unmittelbar benachbart zueinander anzuordnen. Auf diese Weise kann eine besonders effektive Wärmeübertragung von der Statorwicklung zum Kühlkanal erzielt werden. Gleichzeitig wird mittels der Trennwandung die gewünschte elektrische Isolierung zwischen Statorwicklungen und Kühlkanal sichergestellt.
Zweckmäßig kann der Isolationskörper die geometrische Formgebung eines Quaders aufweisen. Ebenso zweckmäßig kann der Isolationskörper in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung die Geometrie eines Trapezes, vorzugsweise eines Rechtecks, aufweisen. Dies bedeutet, dass der Isolationskörper mit einer Geometrie versehen wird, die typischerweise jener der Statornut entspricht, in welche der Isolationskörper im Zuge des Zusammenbaus des Stators der elektrischen Maschine eingesetzt wird. In Varianten sind auch andere Geometrien denkbar, wobei auch bei solchen alternativen Geometrien gilt, dass diese besonders bevorzugt im Wesentlichen der Geometrie der betreffenden Statornut, in welcher der Isolationskörper eingesetzt wird, entsprechen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann an einem bezüglich der axialen Richtung axialen Ende des Isolationskörpers an wenigstens einer Außenwandung ein Axialanschlag ausgebildet sein. Ein solcher Axialeinschlag erleichtert das Einschieben des Isolationskörpers in den jeweiligen Zwischenraum entlang der axialen Richtung. Insbesondere wird eine korrekte axiale Positionierung des Isolationskörpers im Zwischenraum sichergestellt.
Gemäß einer besonders bevorzugten, weil technisch einfach umsetzbaren Weiterbildung, kann der Axialanschlag als ein nach außen abstehender Wandungskragen ausgebildet sein, der an wenigstens einer Außenwandung des Isolationskörpers, vorzugsweise integral, ausgeformt ist. Diese Ausführungsform ist mit besonders geringen Herstellungskosten verbunden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist auf wenigstens zwei Außenwandungen eine Abstandsstruktur vorgesehen, mittels welcher die Außenwandungen in einem definierten Abstand in eine Statornut des Stators einer elektrischen Maschine einsetzbar sind. Auf diese Weise wird das Einsetzen des Isolationskörpers in den jeweiligen, die Statornut bildenden Zwischenraum erleichtert. Insbesondere kann somit der Isolationskörper besonders genau im Zwischenraum positioniert werden. Der sich aufgrund der beabstandeten Anordnung des Isolationskörpers zu den beiden Statorzähnen bzw. zum Statorkörper etwaig ergebende Spalt zwischen den Außenwandungen und den Statorzähnen bzw. dem Statorkörper kann mit einer Wärmeübertragungsschicht aus Kunststoff befüllt werden, welche die Wärmeübertragung auf das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel erleichtert.
Besonders bevorzugt wird besagte Abstandsstruktur durch Vorsprünge gebildet, die auf einer vom Körperinnenraum abgewandten Außenseite der jeweiligen Außenwandung angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist technisch besonders leicht umzusetzen und geht mit Kostenvorteilen bei der Herstellung einher.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können diese Vorsprünge integral an der Außenwandung ausgeformt sein. Auch diese Ausführungsform erweist sich als besonders kostengünstig.
Zweckmäßig kann der Isolationskörper ein Spritzgussteil sein. Ein solches Spritzgussteil ist technisch einfach herzustellen und daher, insbesondere in großen Stückzahlen, besonders kostengünstig zu fertigen. Alternativ oder zusätzlich kann der Isolationskörper ein monolithischer Körper sein. Dies wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf die Fertigungskosten aus. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Isolationskörper ein Extrusionskörper sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Isolationskörper in den Zwischenraum eingesetzt. Ein solches Einsetzen des Isolationskörper in den Zwischenraum vereinfacht die Montage des vorgefertigten Isolationskörper im jeweiligen Zwischenraum und somit den Zusammenbau des Stators der Maschine.
Zweckmäßig verläuft die axiale Richtung des Isolationskörpers parallel zur axialen Richtung der elektrischen Maschine.
Besonders zweckmäßig erstreckt sich der im Zwischenraum angeordnete Isolationskörper entlang einer gesamten, entlang der axialen Richtung der Maschine gemessenen Zwischenraum-Länge.
Besonders bevorzugt umfasst der Isolationskörper zwei Kanalzonen, die in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung in einem radial inneren sowie in einem radial äußeren Endabschnitt des Zwischenraums angeordnet sind. Bei dieser Variante ist in einer ersten Kanalzone ein erster Kühlkanal und in einer zweiten Kanalzone ein zweiter Kühlkanal angeordnet. Auf diese Weise steht im Bereich zwischen den beiden Kanalzonen bzw. Endabschnitten genügend Bauraum zur Aufnahme einer Statorwicklung mit einer großen Anzahl von Leiterelementen bereit. Gleichzeitig wird eine effektive Kühlung dieser Statorwicklungen durch gleich zwei Kühlkanäle sichergestellt.
Zweckmäßig können die erste Kanalzone mit dem ersten Kühlkanal in einem radial inneren Endabschnitt des Zwischenraums und die zweite Kanalzone mit dem zweiten Kühlkanal in einem radial äußeren Endabschnitt des Zwischenraums angeordnet sein. Die Statorwicklung ist bezüglich der radialen Richtung zwischen beiden Kühlkanälen angeordnet, so dass eine effektive Wärmeübertragung von der Statorwicklung an das durch die beiden Kühlkanäle geführte Kühlmittel möglich wird.
Bevorzugt ist die wenigstens eine Wicklungszone entlang der radialen Richtung des Stators zwischen den beiden Kanalzonen angeordnet. Besonders bevorzugt sind beide Wicklungszonen, also die erste und zweite Wicklungszone, entlang der radialen Richtung, vorzugsweise unmittelbar nebeneinander, zwischen den beiden Kanalzonen angeordnet. Entlang der radialen Richtung sind also bei dieser Variante von radial innen nach radial außen die erste Kanalzone, die erste Wicklungszone, die zweite Wicklungszone und die zweite Kanalzone nebeneinander angeordnet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Isolationskörper zwei Wicklungszonen, die in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung benachbart zueinander angeordnet sind. Bei dieser Weiterbildung sind die beiden Wicklungszonen mittels einer Phasenisolation aus dem Kunststoff voneinander getrennt. Dies erlaubt es, Leiterelemente der im Zwischenraum vorgesehenen Statorwicklung in den beiden Wicklungszone anzuordnen, die an unterschiedliche elektrische Phasen einer Stromquelle angeschlossen werden sollen. Dies kann erforderlich sein, wenn die Maschine als zweiphasige Maschine betrieben werden soll.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform die Statorwicklung Teil einer verteilten Wicklung. Bei dieser Variante ist der Isolationskörper radial innen, also zur Öffnung des Zwischenraums bzw. der Statornut hin, offen ausgebildet. Hierzu kann die entsprechende Außenwandung des Isolationskörpers weggelassen sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Wicklung erste und zweite Leiterelemente. Bei dieser Weiterbildung sind die ersten Leiterelemente in der ersten Wicklungszone angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame erste Phase einer elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden. Analog sind bei dieser Weiterbildung die zweiten Leiterelemente in der zweiten Wicklungszone angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame zweite Phase der elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden. Dies erlaubt es, die elektrische Maschine mit hoher Betriebssicherheit als zweiphasige elektrische Maschine zu betreiben.
Besonders bevorzugt ist in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung zumindest ein erstes oder/und zweites Leiterelement der im Zwischenraum angeordneten Statorwicklung von dem Kunststoff umgeben. Besonders bevorzugt gilt dies für alle ersten oder/und zweiten Leiterelemente der Statorwicklung. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass es zu keinem unerwünschten elektrischen Kurzschluss der Statorwicklung mit dem durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittel kommen kann.
Zweckmäßig können die ersten oder/und die zweiten Leiterelemente als Wicklungsstäbe aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sein. Besonders bevorzugt sind diese Leiterelementen mechanisch steif ausgebildet eine solche Ausbildung der Leiterelementen als Wicklungsstäbe, insbesondere aus eine mechanisch steifen Material, erleichtert es, die Leiterelemente zum Zusammenbau der elektrischen Maschine in den Zwischenraum des Stators angeordneten Isolationskörper einzubringen.
Als besonders bauraumsparend erweist sich eine weitere bevorzugte Ausführungsformen, gemäß welcher in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung zumindest ein Wicklungsstab, vorzugsweise alle Wicklungsstäbe, die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Schmalseiten und mit zwei Breitseiten besitzt/besitzen.
Besonders bevorzugt sind die ersten Leiterelemente mittels der Phasenisolation elektrisch gegenüber den zweiten Leiterelementen isoliert. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss zwischen zwei Leiterelementen, die an unterschiedliche elektrische Phasen einer Stromquelle angeschlossen sind oder angeschlossen werden sollen, kann auf diese Weise vermieden werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen der Statorwicklung und dem Isolationskörper eine erste Wärmeübertragungsschicht aus Kunststoff angeordnet. Auf diese Weise kann die Abführung von Wärme von der Statorwicklung verbessert werden. Insbesondere kann die unerwünschte Ausbildung von Luftspalten oder Lufteinschlüssen, welche die Wärmeabführung von der Statorwicklung mindern würden, vermieden werden.
Zusätzlich kann eine erste Wärmeübertragungsschicht zwischen zumindest zwei benachbarten Leiterelementen angeordnet sein. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Leiterelementen kann auf diese Weise verhindert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung ist zwischen dem Kühlkanal und dem Isolationskörper eine zweite Wärmeübertragungsschicht aus Kunststoff angeordnet. Somit kann die Übertragung der Wärme auf den Kühlkanal bzw. das durch den Kühlkanalströmende Kühlmittel verbessert werden. Insbesondere kann die unerwünschte Ausbildung von Luftspalten oder Lufteinschlüssen, welche die Wärmeübertragung zum Kühlkanal hin mindern würden, vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich zur ersten bzw. zweiten Wärmeübertragungsschicht kann zwischen dem Isolationskörper und dem Statorkörper mit den zwei benachbarten Statorzähnen eine dritte Wärmeübertragungsschicht aus Kunststoff angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Abführung von Wärmeübertragung von den Statorzähnen bzw. vom Statorkörper verbessert werden. Insbesondere kann die unerwünschte Ausbildung eines Luftspalts oder eines Lufteinschlusses, der die Wärmeübertragung von den Statorzähnen bzw. vom Statorkörper weg mindern würde, vermieden werden.
Zweckmäßig können die ersten Leiterelemente in der radial inneren Wicklungszone angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame erste Phase einer elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden sein. Bei dieser Variante sind die zweiten Leiterelemente in der radial äußeren Wicklungszone angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame zweite Phase der elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden. Diese Variante erlaubt die Realisierung bzw. den Betrieb der Maschine als zweiphasige Maschine bei nur geringem Bauraum bedarf. Insbesondere können auf diese Weise besonders viele Leiterelemente der Statorwicklung in einem jeweiligen Zwischenraum angeordnet werden, was die Leistungsfähigkeit elektrischen Maschine erhöht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung zumindest ein erstes oder/und zweites Leiterelement, vorzugsweise alle ersten oder/und zweiten Leiterelemente, von dem Kunststoff umgeben. Auf diese Weise wird die elektrische Isolierung der Leiterelemente, insbesondere gegenüber dem Kühlkanal, redundant verbessert.
Zweckmäßig kann sich die Abstandsstruktur des Isolationskörpers an den Statorzähnen sowie, alternativ oder zusätzlich, am Statorkörper abstützen. Auf diese Weise wird der Isolationskörper mechanisch stabil im Zwischenraum fixiert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann auf den dem Zwischenraum zugewandten Oberflächenabschnitten der beiden Statorzähne oder/und des Statorkörpers eine Stützstruktur vorgesehen sein, an welcher sich die Außenwandungen des Isolationskörpers abstützen, so dass diese im Abstand zu den Statorzähnen bzw. zum Statorkörper angeordnet sind. Auf diese Weise wird das Einsetzen des Isolationskörpers in den jeweiligen, die Statornut bildenden Zwischenraum erleichtert. Insbesondere kann der Isolationskörper auf diese Weise besonders genau im Zwischenraum positioniert werden. Die sich aufgrund der beanstandeten Anordnung des Isolationskörpers zu den beiden Statorzähnen bzw. zum Statorkörper etwaig ergebenden Luftspalte bzw. Lufteinschlüsse zwischen den Außenwandungen und den Statorzähnen bzw. dem Statorkörper können dann mit einer Wärmeübertragungsschicht aus Kunststoff befüllt werden. Dies führt zu einer verbesserten Übertragung von Wärme, die an den Statorzähnen sowie am Statorkörper im Betrieb der Maschine erzeugt wird, auf das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel.
Zweckmäßig ist die Stützstruktur durch Vorsprünge gebildet ist, die von den Statorzähnen bzw. vom Statorkörper in den Zwischenraum abstehen. Diese Ausführungsform ist technisch besonders leicht umzusetzen und geht folglich mit Kostenvorteilen bei der Herstellung einher.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Vorsprünge integral an den Statorzähnen bzw. am Statorkörper ausgebildet sind. Diese Ausführungsform erweist sich als besonders kostengünstig.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist im Statorkörper, insbesondere im Bereich des Statorkörper zwischen den beiden den Zwischenraum begrenzenden Statorzähnen, ein zusätzlicher Kühlkanal ausgebildet. Ein solcher zusätzlicher Kühlkanal kann etwa in Form eines Durchbruchs oder in Form einer Bohrung im jeweiligen Statorkörper ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist der zusätzliche Kühlkanal in einem Bereich des Statorkörper angeordnet, der radial außen den Zwischenraum begrenzt und sich von diesem Zwischenraum nach radial innen an den Zwischenraum anschließt. Auf diese Weise kann eine zusätzliche Kühlwirkung im Zwischenraum erzeugt werden, womit eine verbesserte Abführung von Wärme von der in diesem Zwischenraum angeordneten Statorwicklung einhergeht.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Kunststoff der ersten Wärmeübertragungsschicht durch ein, vorzugsweise elektrisch isolierendes, erstes Kunststoffmaterial gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Ausführungsform der Kunststoff der zweiten Wärmeübertragungsschicht durch ein, vorzugsweise elektrisch isolierendes, zweites Kunststoffmaterial gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Ausführungsform der Kunststoff der dritten Wärmeübertragungsschicht durch ein, vorzugsweise elektrisch isolierendes, drittes Kunststoffmaterial gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Ausführungsform der Kunststoff des Isolationskörpers, insbesondere der Außenwandungen des Isolationskörpers durch ein, vorzugsweise elektrisch isolierendes, viertes Kunststoffmaterial gebildet sein.
Zweckmäßig kann das erste Kunststoffmaterial oder/und das zweite Kunststoffmaterial oder/und das dritte Kunststoffmaterial oder/und das vierte Kunststoffmaterial ein Thermoplast sein. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Kunststoffmaterial oder/und das zweite Kunststoffmaterial oder/und das dritte Kunststoffmaterial oder/und das vierte Kunststoffmaterial ein Duroplast sein. Die thermische Leitfähigkeit von sowohl Duroplasten als auch Thermoplasten ist dabei durch die Wahl der Werkstoffzusammensetzung einstellbar. Somit kann die thermische Leitfähigkeit eines Thermoplasts gleich oder größer sein als die eines Duroplasten et vice versa. Ein Einsatz von Thermoplasten weist diverse Vorteile gegenüber dem Einsatz von Duroplasten auf. Beispielsweise sind Thermoplaste infolge des bei ihrer Verarbeitung angewandten reversiblen Formgebungsprozesses besser recyclebar bzw. weisen im Vergleich zu Duroplasten eine geringere Sprödheit und verbesserte Dämpfungseigenschaften auf. Da Thermoplasten jedoch gewöhnlich teurer in der Beschaffung sind als Duroplasten, empfiehlt es sich aus Kostengründen, Thermoplaste selektiv einzusetzen. Mit der Verwendung eines Duroplasten mit reduziert eingestellter thermischer Leitfähigkeit in denjenigen Bereichen, die betreffend Wärmeübertragung als weniger kritisch anzusehen sind, gehen reduzierte Herstellungskosten für die elektrische Maschine einher.
Zweckmäßig weisen das erste oder/und zweite oder/und dritte oder/und vierte Kunststoffmaterial identische Wärmeleitfähigkeiten auf. Alternativ oder zusätzlich können das erste oder/und zweite oder/und dritte oder/und vierte Kunststoffmaterial unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen.
Zweckmäßig können das erste oder/und zweite oder/und dritte oder/und vierte Kunststoffmaterial identische Materialien sein. Ebenso können das erste oder/und zweite oder/und dritte oder/und vierte Kunststoffmaterial aber auch unterschiedliche Materialien sein.
Zweckmäßig beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoff, insbesondere des ersten oder/und zweiten oder/und dritten oder/und vierten Kunststoffmaterials, mindestens 0,5 W/m K, bevorzugt mindestens 1 W / m K.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Statorwicklung Teil einer verteilten Wicklung.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer voranstehend erläuterten elektrischen Maschine. Die voranstehend genannten Vorteile der elektrischen Maschine übertragen sich somit auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen, jeweils schematisch:

1 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Isolationskörpers in einer isometrischen Darstellung,
2 den Isolationskörper der 1 in einer Schnittdarstellung,
3 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Isolationskörper der 1 und 2,
4 den Stator der elektrischen Maschine gemäß 3 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse des Rotors,
5 eine Detaildarstellung des Stators der 4 im Bereich eines Zwischenraums zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen,
6, 7 Varianten des Beispiels der 5.

Die 1 und 2 illustrieren ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Isolationskörpers 100 aus Kunststoff 11 für einen Stator einer elektrischen Maschine. Zweckmäßig ist der Isolationskörper 100 ein Spritzgussteil. Der Isolationskörper 100 kann außerdem ein monolithischer Körper sowie, alternativ oder zusätzlich, ein Extrusionskörper sein.
Die 1 zeigt den Isolationskörper 100 in einer isometrischen Darstellung, die 2 in einer Schnittdarstellung. Der Isolationskörper 100 begrenzt einen Körperinnenraum 104. Gemäß 1 besitzt der Isolationskörper 100 die geometrische Formgebung eines Quaders. Dieser Quaders wird durch vier Außenwandungen 101a, 101b, 101d aus Kunststoff 11 gebildet. Die vier Außenwandungen 101a-d erstrecken sich entlang einer axialen Richtung a. In dem in 2 gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung a bilden die Außenwandungen 101a-d zwei Schmalseiten 102a, 102b sowie zwei Breitseiten 103a, 103b aus. Die beiden Schmalseiten 102a, 102b liegen einander gegenüber. Analog liegen die beiden Breitseiten 103a, 103b einander gegenüber. Die beiden Schmalseiten 102a, 102b sind bevorzugt orthogonal zu den beiden Breitseiten 103a, 103b angeordnet.
Wie die 1 und 2 erkennen lassen, wird der Körperinnenraum 104 durch Trennwände 105a, 105b, 105c aus Kunststoff 11, die sich ebenfalls entlang der axialen Richtung a erstrecken, in eine erste und zweite Wicklungszone 106a, 106b sowie in eine erste und in zweite Kanalzone 107a, 107b unterteilt. Die erste Trennwand 105a ist also zwischen der ersten Wicklungszone 106a und der ersten Kanalzone 107a angeordnet. Die zweite Trennwand 105b ist zwischen der zweiten Wicklungszone 106b und der zweiten Kanalzone 107b angeordnet.
Die dritte Trennwand 105c ist zwischen der ersten und der zweiten Wicklungszone 106a, 106b angeordnet. In dem in 2 gezeigten Querschnitt erstrecken sich die drei Trennwände 105a, 105b, 105c jeweils parallel zueinander und erstrecken sich außerdem parallel zu den beiden Außenwandungen 101c, 101d. Entsprechend erstrecken sich die drei Trennwände 105a, 105b, 105c orthogonal zu den beiden Außenwandungen 101a, 101b.
Die beiden Kanalzonen 107a, 107b dienen zur Aufnahme eines ersten bzw. zweiten Kühlkanals (in den 1 und 2 nicht gezeigt). Analog dienen die beiden Wicklungszonen 106a, 106b zur Aufnahme von Leiterelementen der Statorwicklung (in den 1 und 2 nicht gezeigt).
Wie 1 und 2 erkennen lassen, sind die beiden Wicklungszonen 106a, 106b benachbart zueinander und nebeneinander angeordnet. Die beiden Wicklungszonen 106a, 106b sind außerdem zwischen den beiden Kanalzonen 107a, 107b angeordnet. Des Weiteren sind die beiden Wicklungszonen 106a, 106b mittels einer Phasenisolation 108 aus Kunststoff 11 elektrisch und räumlich voneinander getrennt. Die Phasenisolation 108 wird durch die bereits vorgestellte Trennwandung 105c gebildet.
Gemäß 1 kann an einem axialen Ende 111 der vier Außenwandungen 101a-101d des Isolationskörpers 100 ein Axialanschlag 109 ausgebildet sein.
Der Axialanschlag 109 kann als nach außen abstehender, teilweise oder vollständig umlaufender Wandungskragen 110 ausgebildet sein, der integral an allen vier Außenwandungen 101a-d des Isolationskörpers 100 ausgeformt ist.
Im Folgenden wird anhand der 3 und 4 eine elektrische Maschine 1 mit dem voranstehend vorgestellten Isolationskörper 100 vorgestellt. Die elektrische Maschine 1 ist so dimensioniert, dass sie in einem Fahrzeug, vorzugsweise in einem Straßenfahrzeug, eingesetzt werden kann. 3 zeigt die Maschine 1 in einem Längsschnitt, die 4 in einem Querschnitt.
Die elektrische Maschine 1 umfasst einen in der 3 nur grobschematisch dargestellten Rotor 3 und einen Stator 2. Zur Verdeutlichung ist der Stator 2 in 4 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D entlang der Schnittlinie II - II der 3 in separater Darstellung dargestellt. Entsprechend 3 besitzt der Rotor 3 eine Rotorwelle 31 und kann mehrere, in der 3 nicht näher dargestellte Magnete aufweisen, deren magnetischer Polarisation entlang der Umfangsrichtung U abwechselt. Der Rotor 3 ist um eine Rotationsachse D drehbar, deren Lage durch die Mittellängsachse M der Rotorwelle 31 festgelegt ist. Durch die Rotationsachse D wird eine axiale Richtung A definiert, welche sich parallel zur Rotationsachse D erstreckt. Eine radiale Richtung R steht senkrecht zur axialen Richtung A. Eine Umfangsrichtung U rotiert um die Rotationsachse D.
Wie 3 erkennen lässt, ist der Rotor 3 im Stator 2 angeordnet. Somit handelt es sich bei der hier gezeigten elektrischen Maschine 1 um einen sogenannten Innenläufer. Denkbar ist aber auch eine Realisierung als sogenannter Außenläufer, bei welcher der Rotor 3 außerhalb des Stators 2 angeordnet ist. Die Rotorwelle 31 ist in einem ersten Wellenlager 32a und, dazu axial beabstandet, in einem zweiten Wellenlager 32b um die Rotationsachse D drehbar am Stator 2 gelagert.
Der Stator 2 umfasst außerdem in bekannter Weise mehrere, zum Erzeugen eines magnetischen Feld elektrisch bestrombare Statorwicklungen 6. Durch magnetische Wechselwirkung des von den Magneten des Rotor 3 erzeugten magnetischen Feldes mit dem von den elektrisch leitenden Statorwicklungen 6 erzeugten magnetischen Feld wird der Rotor 3 in Rotation versetzt.
Dem Querschnitt der 2 entnimmt man, dass der Stator 2 einen ringförmigen Statorkörper 7, beispielsweise aus Eisen, aufweisen kann. Insbesondere kann der Statorkörper 7 aus mehreren, entlang der axialen Richtung A aufeinandergestapelten und miteinander verklebten Statorkörperplatten (nicht gezeigt) gebildet sein. An dem Statorkörper 7 sind radial innen mehrere Statorzähne 8 angeformt, die sich entlang der axialen Richtung A erstrecken, radial nach innen vom Statorkörper 7 weg abstehen und entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeordnet sind. Jeder Statorzahn 8 trägt eine Statorwicklung 6. Die einzelnen Statorwicklungen 6 bilden zusammen eine Wicklungsanordnung. Je nach Anzahl der von den Statorwicklungen 6 zu bildenden magnetischen Pole können die einzelnen Statorwicklungen 6 der gesamten Wicklungsanordnung in geeigneter Weise elektrisch miteinander verdrahtet sein.
Im Betrieb der Maschine 1 erzeugen die elektrisch bestromten Statorwicklungen 6 Abwärme, die aus der Maschine 1 abgeführt werden muss, um eine Überhitzung und eine damit einhergehende Beschädigung oder gar Zerstörung der Maschine 1 zu verhindern. Daher werden die Statorwicklungen 6 mithilfe eines Kühlmittels K gekühlt, welches durch den Stator 2 geführt wird und die von den Statorwicklungen 6 erzeugte Abwärme durch Wärmeübertragung aufnimmt.
Um das Kühlmittel K durch den Stator 2 zu führen, umfasst die Maschine 1 einen Kühlmittelverteilerraum 4, in welchen über einen Kühlmitteleinlass 33 ein Kühlmittel K eingeleitet werden kann. Entlang der axialen Richtung A im Abstand zum Kühlmittelverteilerraum 4 ist ein Kühlmittelsammlerraum 5 angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 kommuniziert mittels mehrerer Kühlkanäle 10 von welchen in der Darstellung der 3 nur ein einziger erkennbar ist, fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum 5. In einem in den Figuren nicht gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A können der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils eine ringförmige Geometrie besitzen. Entlang der Umfangsrichtung U sind mehrere Kühlkanäle 10 beabstandet zueinander angeordnet, die sich jeweils entlang der axialen Richtung A vom ringförmigen Kühlmittelverteilerraum 4 zum ringförmigen Kühlmittelsammlerraum 5 erstrecken. Somit kann das über den Kühlmitteleinlass 33 in den Kühlmittelverteilerraum 4 eingebrachtes Kühlmittel Kauf die einzelnen Kühlkanäle 10 verteilt werden. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 10 und der Aufnahme von Wärme von den Statorwicklungen 6 wird das Kühlmittel K im Kühlmittelsammlerraum 5 gesammelt und über einen am Stator 2 vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 wieder aus der Maschine 1 ausgeleitet.
Wie die Darstellungen der 3 und 4 erkennen lassen, sind zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 Zwischenräume 9 ausgebildet. Besagte Zwischenräume 9 sind dem einschlägigen Fachmann auch als sogenannte „Statornuten“ oder „Statorschlitze“ bekannt, die sich ebenso wie die Statorzähne 8 entlang der axialen Richtung A erstrecken. In jedem Zwischenraum 9 ist ein Isolationskörper 100 aus Kunststoff 11 zur Aufnahme einer Statorwicklung 6 und eines Kühlkanals 10 eingesetzt. Der Isolationskörper 100 ist dabei derart im jeweiligen Zwischenraum 9 angeordnet, dass die axiale Richtung a des Isolationskörpers 100 parallel zur axialen Richtung A der elektrischen Maschine 1 bzw. des Stators 2 verläuft.
Zweckmäßig erstreckt sich der im jeweiligen Zwischenraum 9 angeordnete Isolationskörper 100 entlang einer gesamten entlang der axialen Richtung A der Maschine 1 gemessenen Zwischenraum-Länge I (vgl. hierzu auch 3).
Im Folgenden wird die Darstellung der 5 erläutert, welche einen zwischen zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 - im Folgenden auch als Statorzähne 8a, 8b bezeichnet - ausgebildeten Zwischenraum 9 in einer Detaildarstellung zeigt. Die 5 zeigt den Zwischenraum 9 in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A.
Gemäß 5 weist der Zwischenraum 9 radial innen eine Öffnung 52 auf, ist also radial innen offen ausgebildet. Der Zwischenraum 9 kann in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A die Geometrie eines Trapezes, insbesondere eines Rechtecks, aufweisen. Gleiches gilt in diesem Querschnitt für die Geometrie des Isolationskörpers 100. Besonders zweckmäßig weisen der Zwischenraum 9 und die Isolationskörper 100 dieselbe Geometrie bzw. Außenkontur auf. Im Beispiel der 5 ist ein erster Kühlkanal 10 im Bereich eines radial inneren Endabschnitts 56a des Zwischenraums 9 bzw. der Statornut 54, also im Bereich der Öffnung 52, angeordnet. Ein weiterer, zweiter Kühlkanal 10 ist im Bereich eines radial äußeren Endabschnitts 56b des Zwischenraums 9, also in der Nähe des den Zwischenraum 9 radial außen begrenzenden Statorkörpers 7 angeordnet.
Wie 5 erkennen lässt, umfasst die im Zwischenraum 9 bzw. im Körperinnenraum 104 angeordnete Statorwicklung 6 erste und zweite Leiterelemente 60a, 60b. Die ersten Leiterelemente 60a sind in der ersten Wicklungszone 59a des Isolationskörpers 100 angeordnet und können zum Anschluss an eine gemeinsame erste Phase einer elektrischen Stromquelle (nicht gezeigt) elektrisch miteinander verbunden sein. Diese elektrische Verbindung kann axial außerhalb des Zwischenraums 9 bzw. der Statornut 54 erfolgen. Die zweiten Leiterelemente 60b sind in der zweiten Wicklungszone 59b des Isolationskörpers 100 angeordnet und können zum Anschluss an eine gemeinsame zweite Phase der elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden sein. Auch diese elektrische Verbindung kann axial außerhalb des Zwischenraums 9 bzw. der Statornut 54 erfolgen. Somit sind die ersten Leiterelemente 60a mittels der Phasenisolation 108 elektrisch gegenüber den zweiten Leiterelementen 60b isoliert.
Wie 5 veranschaulicht, sind die ersten und zweiten Leiterelemente 60a, 60b jeweils als Wicklungsstäbe 65a, 65b aus einem elektrisch leitenden Material und - aufgrund ihrer stabartigen Ausbildung - auch mechanisch steif ausgebildet. In dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A weisen die Wicklungsstäbe 65a, 65b jeweils die Geometrie eines Rechtecks 66 mit zwei Schmalseiten 67 und mit zwei Breitseiten 68 auf.
Die erste Kanalzone 107a mit dem ersten Kühlkanal 10 ist bezüglich der radialen Richtung R in dem radial inneren Endabschnitt 56a des Zwischenraums 9 angeordnet. Entsprechend ist die zweite Kanalzone 107b mit dem zweiten Kühlkanal 10 bezüglich der radialen Richtung R in dem radial äußeren Endabschnitt 56b des Zwischenraums 9 angeordnet. Entlang der radialen Richtung R sind also die beiden Wicklungszonen 106 a, 106b zwischen den beiden Kanalzone 107a, 107b angeordnet. Entlang der radialen Richtung R von radial innen nach radial außen folgt also auf die erste Kanalzone 107a mit dem ersten Kühlkanal 10 die erste Wicklungszone 106a mit den ersten Leiterelementen 60a. Auf die erste Wicklungszone 106a folgt die zweite Wicklungszone 106b mit dem zweiten Leiterelementen 60b, auf welche wiederum entlang der radialen Richtung R die zweite Kanalzone 107 b mit dem zweiten Kühlkanal 10 folgt.
Wie 5 außerdem erkennen lässt, kann in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A zwischen den ersten bzw. zweiten Leiterelementen 60a, 60b der Statorwicklung 6 und dem Isolationskörper 100 eine erste Wärmeübertragungsschicht 112a aus Kunststoff 11 angeordnet sein. Die erste Wärmeübertragungsschicht 112a kann wie in 5 gezeigt auch zwischen zwei benachbarten Leiterelementen 60a, 60b angeordnet sein. Bevorzugt sind in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A alle ersten und zweiten Leiterelemente 60a, 60b von dem Kunststoff 11 umgeben.
Alternativ oder zusätzlich zur ersten Wärmeübertragungsschicht 112a kann in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A zwischen dem jeweiligen Kühlkanal 10 und dem Isolationskörper 100 eine (zweite) Wärmeübertragungsschicht 112b aus Kunststoff 11 angeordnet sein.
Wie 5 außerdem erkennen lässt, ist auf den Außenwandungen 101a, 101c, 101d des Isolationskörpers 100 eine Abstandsstruktur 113 ausgebildet, mittels welcher die Außenwandungen 101a, 101c, 101d im Abstand zu den Statorzähnen 8a, 8b bzw. dem Statorkörper 7 im Zwischenraum 9 angeordnet werden kann. die Abstandsstruktur 113 ist zweckmäßig durch Vorsprünge 114 gebildet ist, die auf einer vom Körperinnenraum 104 des Isolationskörpers 100 abgewandten Außenseite der jeweiligen Außenwandung 101b, 101c, 101d angeordnet sind. Besonders zweckmäßig können die Vorsprünge 114 integral an der jeweiligen Außenwandung 101a, 101c, 101d ausgeformt sein. Die Abstandsstruktur 113 stützt sich also an den Statorzähnen 8a, 8b und am Statorkörper 7 ab. In einer vereinfachten Variante des Beispiels kann auf die Abstandsstruktur 113 verzichtet sein.
Der sich zwischen den Außenwandungen 101b, 101c, 101d und den Statorzähnen 8a, 8b bzw. dem Statorkörper 7 ergebenden Spalt 61 kann mit einer dritten Wärmeübertragungsschicht 112 c aus Kunststoff 11 gefüllt sein. Dies bedeutet, dass alternativ oder zusätzlich zur ersten bzw. zweiten Wärmeübertragungsschicht 112a, 112b in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A zwischen dem Isolationskörper 100 und dem Statorkörper 7 mit den zwei benachbarten Statorzähnen eine dritte Wärmeübertragungsschicht 112c aus Kunststoff 11 angeordnet sein kann.
Wie in 5 in gestrichelter Darstellung angedeutet, kann ein weiterer Kühlkanal 10' im Statorkörper 7 ausgebildet und angeordnet sein, der sich radial innen an den Zwischenraum 9 anschließt. Ein solcher zusätzlicher Kühlkanal 10' kann in Form einer Bohrung oder eines Durchbruchs realisiert sein.
Die 6 zeigt eine Variante des Beispiels der 5. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zwischen den beiden Varianten erläutert. Gemäß 6 kann auf den dem Zwischenraum 9 zugewandten Oberflächenabschnitten der beiden Statorzähnen 8a, 8b sowie des Statorkörper 7 eine Stützstruktur 120 ausgebildet sein, an welcher sich die Außenwandungen 101b, 101c, 101d des Isolationskörpers 100 abstützen können. In analoger Weise zur Abstandsstruktur 113 des Isolationskörpers 100 kann auch die Stützstruktur 120 durch Vorsprünge 121 gebildet sein, die von den Statorzähnen 8a, 8b bzw. vom Statorkörper 7 in den Zwischenraum 9 hinein abstehen. Die Vorsprünge 121 der Stützstruktur 120 können integral an den beiden Statorzähnen 8a, 8b bzw. am Statorkörper 7 ausgeformt sein.
Die 7 zeigt eine weitere Variante des Beispiels der 5. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zwischen den beiden Varianten erläutert. Im Beispiel der 7 besitzt der Isolationskörper 100 im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung a, A die Geometrie eines Trapezes mit nicht-rechtwinkligen Zwischenwinkeln zwischen jeweils zwei benachbarten Außenwandungen 101a, 101b, 101c, 101d. Des Weiteren ist in der einzigen Wicklungszone 106a eine Statorwicklung 6 angeordnet, die flexible Leiterelemente 60c aufweist. Im Beispiel der 7 sind zwei Kühlkanäle 10 vorgesehen, wobei ein erster Kühlkanal 10 im radial inneren Endabschnitt 56a des Zwischenraums 9 und ein zweiter Kühlkanal 10 im radial äußeren Endabschnitt 56b des Zwischenraums 9 angeordnet ist. Somit ist die erste Kanalzone 107a des Isolationskörpers 100 mit dem ersten Kühlkanal 10 im Bereich des radial inneren Endabschnitt 56a angeordnet. Entsprechend ist die zweite Kanalzone 107b mit dem zweiten Kühlkanal 10 im Bereich des radial äußeren Endabschnitt 56b des Zwischenraums 9 angeordnet. Bei der Variante der 7 ist der Isolationskörper 100 radial innen, also zur Öffnung 52 des Zwischenraums 9 bzw. der Statornut 54 hin, offen ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Außenwandung 101a des Isolationskörpers 100 weggelassen ist.
Wie 7 erkennen lässt, ist nur zwischen der Wicklungszone 106a und der zweiten Kanalzone 107b eine Trennwandung 105b vorgesehen. Demgegenüber ist zwischen der Wicklungszone 106a und der ersten Kanalzone 107a auf eine solche Trennwand verzichtet. In einer Variante kann auch hier eine solche Trennwand vorgesehen sein. Entsprechend kann in einer weiteren Variante auf die in der 7 gezeigte Außenwanderung 105c verzichtet sein. Es ergeben sich weitere Kombinationsmöglichkeiten, die sich dem einschlägigen Fachmann unmittelbar aus der 7 erschließen und daher nicht explizit erläutert werden.
Im Beispielszenario ist der Kunststoff 11 der ersten Wärmeübertragungsschicht 112a durch ein elektrisch isolierendes erstes Kunststoffmaterial K1 gebildet, der Kunststoff 11 der zweiten Wärmeübertragungsschicht 112b durch ein elektrisch isolierendes, zweites Kunststoffmaterial K2, und der Kunststoff 11 der dritten Wärmeübertragungsschicht 112c ist durch ein elektrisch isolierendes drittes Kunststoffmaterial K3 gebildet. Der Kunststoff 11 des elektrischen Isolationskörpers 100, insbesondere der Außenwandungen 101a-101d des elektrischen Isolationskörpers 100, ist durch ein ebenfalls elektrisch isolierendes, viertes Kunststoffmaterial K4 gebildet.
Im Beispiel der Figuren ist das vierte Kunststoffmaterial K4 des Isolationskörpers 100 ein Duroplast, wohingegen das erste, zweite und dritte Kunststoffmaterial K1, K2, K3 der drei Wärmeübertragungsschichten 112a, 112b, 112c ein Thermoplast ist. Selbstredend sind in Varianten dazu auch andere Zuordnungen von Thermoplast und Duroplast zu den vier Kunststoffmaterialien K1, K2, K3, K4 möglich. Im Beispielszenario besitzen das erste, zweite und vierte Kunststoffmaterial K1, K2, K4 jeweils eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das dritte Kunststoffmaterial K3. Auf diese Weise wird eine effektive Wärmeübertragung von der Statorwicklung 6 auf die Kühlkanäle 10 sichergestellt. Im Beispiel der Figuren handelt es sich bei den vier Kunststoffmaterialien K1, K2, K3, K4 um unterschiedliche Materialien. Die Wärmeleitfähigkeit aller vier Kunststoffmaterialen K1, K2, K3, K4 beträgt dabei mindestens 0,5 W/m K, bevorzugt mindestens 1 W/ m K.
Im Folgenden wird wieder auf 3 Bezug genommen. Gemäß 1 ist der Stator 2 mit dem Statorkörper 7 und den Statorzähnen 8 axial zwischen einem ersten und einem zweiten Lagerschild 25a, 25b angeordnet.
Wie die 3 erkennen lässt, ist ein Teil des Kühlmittelverteilerraums 4 in dem ersten Lagerschild 25a und ein Teil des Kühlmittelsammlerraums 5 in dem zweiten Lagerschild 25b angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 sind somit jeweils teilweise durch einen in der Kunststoffmasse 11 vorgesehenen Hohlraum 41a, 41b gebildet. Der erste Hohlraum 41a wird dabei durch einen im ersten Lagerschild 25a ausgebildeten Hohlraum 42a zum Kühlmittelverteilerraum 4 ergänzt. Entsprechend wird der zweite Hohlraum 41b durch einen im zweiten Lagerschild 25b ausgebildeten Hohlraum 42b zum Kühlmittelsammlerraum 5 ergänzt. Bei der vorangehend erläuterten Ausführungsvariante begrenzt der Kunststoff 11 den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kühlmittelsammlerraum 5 also zumindest teilweise.
Im ersten Lagerschild 25a kann ferner eine Kühlmittelzuführung 35 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelverteilerraum 4 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in 1 dargestellt umfangsseitig, am ersten Lagerschild 25a vorgesehenen Kühlmitteleinlass 33 verbindet. Im zweiten Lagerschild 25b kann entsprechend eine Kühlmittelabführung 36 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelsammlerraum 5 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in 1 dargestellt umfangsseitig, am Lagerschild 25b vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 verbindet. Dies ermöglicht eine Anordnung des Kühlmittelverteilerraums 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils radial außen am ersten bzw. zweiten Endabschnitt 14a, 14b der betreffenden Statorwicklung 6 und auch in der Verlängerung dieser Endabschnitte 14a, 14b entlang der axialen Richtung A. Die im Betrieb der Maschine 1 thermisch besonders belasteten Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6 werden auch mittels dieser Maßnahme besonders effektiv gekühlt.
Gemäß 3 kann der Kunststoff 11 auch auf einer Außenumfangsseite 30 des Statorkörpers 7 angeordnet sein und somit auf der Außenumfangsseite 30 eine Kunststoffbeschichtung 11.1 ausbilden. Somit kann der typischerweise aus elektrisch leitenden Statorplatten gebildete Statorkörper 7 des Stators 2 elektrisch gegen die Umgebung isoliert werden. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses zur Aufnahme des Statorkörpers 7 kann somit entfallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5214325 [0003]

Claims

Elektrische Maschine (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, - mit einem Rotor (3), der um eine Rotationsachse (D) drehbar ist, durch welche eine axiale Richtung (A) der elektrischen Maschine (1) definiert ist, und mit einem Stator (2), der elektrisch leitende Statorwicklungen (6) aufweist, - mit wenigstens einem von einem Kühlmittel (K) durchströmbaren Kühlkanal (10) zum Kühlen der Statorwicklungen (6), - wobei der Stator (2) sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung (U) des Rotors (3) beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne (8) besitzt, die von einem Statorkörper (7) des Stators (2), vorzugsweise radial nach innen, abstehen und die Statorwicklungen (6) tragen, - wobei zwischen zwei in der Umfangsrichtung (U) benachbarten Statorzähnen (8, 8a, 8b) jeweils ein Zwischenraum (9) ausgebildet ist, - wobei in zumindest einem Zwischenraum (9) ein Isolationskörper (100) angeordnet ist, welcher Außenwandungen (101a, 101b, 101c, 101d) aus einem Kunststoff (K) aufweist, die einen Körperinnenraum (104) begrenzen, in welchem wenigstens eine Wicklungszone (106a, 106b) zur Aufnahme einer Statorwicklung (6) und wenigstens eine Kanalzone (107a, 107b) zur Aufnahme eines Kühlkanals (10) vorgesehen ist, - wobei in der wenigstens einen Wicklungszone (106a, 106b) des Isolationskörpers (100) eine Statorwicklung (6) angeordnet ist und in der wenigstens einen Kanalzone (107a, 107b) des Isolationskörpers (100) ein Kühlkanal (10) zum Durchströmen mit einem Kühlmittel (K) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (100) wenigstens eine Trennwandung (105a, 105b, 105c) aus dem, vorzugsweise elektrisch isolierenden, Kunststoff (K) aufweist, welche den Körperinnenraum (104) in die wenigstens eine Wicklungszone (106a, 106b) und in die wenigstens eine Kanalzone (107a, 107b) unterteilt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - zwei Kanalzonen (107a, 107b) zur Aufnahme eines ersten und zweiten Kühlkanals (10, 10) vorhanden sind, - in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (a) die wenigstens eine Wicklungszone (106a, 106b) zwischen den beiden Kanalzonen (107a, 107b) angeordnet und mittels zweier Trennwandungen (105a, 105b) von diesen getrennt ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - zwei Wicklungszonen (106a, 106b) vorgesehen sind, die in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (a) benachbart zueinander angeordnet sind, - die Wicklungszonen (106a, 106b) mittels einer Phasenisolation (108) aus dem Kunststoff (K) voneinander getrennt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenisolation (108) durch eine Trennwandung (105c) des Isolationskörpers (100) gebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Isolationskörper (100) ein Spritzgussteil ist; oder/und dass - der Isolationskörper (100) ein monolithischer Körper ist; oder/und dass der Isolationskörper (100) ein Extrusionskörper ist, oder/und dass
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Isolationskörper (100) zwei Kanalzonen (107a, 107b) umfasst, die in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) der Maschine (1) in einem radial inneren sowie in einem radial äußeren Endabschnitt des Zwischenraums (9) angeordnet sind, - in der ersten Kanalzone (107a) ein erster Kühlkanal und in der zweiten Kanalzone (107b) ein zweiter Kühlkanal ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kanalzone (107a) mit dem ersten Kühlkanal (10) in einem radial inneren Endabschnitt (56a) des Zwischenraums (9) und die zweite Kanalzone (107b) mit dem zweiten Kühlkanal (10) in einem radial äußeren Endabschnitt (56b) des Zwischenraums (9) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer radialen Richtung des Stators (2) die wenigstens eine Wicklungszone (106a, 106b), vorzugsweise beide Wicklungszonen (106a, 106b), zwischen den beiden Kanalzonen (107a, 107b) angeordnet ist/sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Isolationskörper (100) zwei Wicklungszonen (106a, 106b) umfasst, die in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) benachbart zueinander angeordnet sind, - die zwei Wicklungszonen (106a, 106b) mittels einer Phasenisolation (108) aus dem Kunststoff (11) voneinander getrennt sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (6) Teil einer verteilten Wicklung ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Wicklung (6) erste und zweite Leiterelemente (60a, 60b) umfasst, - die ersten Leiterelemente (60a) in der ersten Wicklungszone (59a) angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame erste Phase einer elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden sind; und dass - die zweiten Leiterelemente (60b) in der zweiten Wicklungszone (59b) angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame zweite Phase der elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Statorwicklung (6) und dem Isolationskörper (100) eine (erste) Wärmeübertragungsschicht (112a) aus dem Kunststoff (11) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmeübertragungsschicht (112a) zusätzlich zwischen zumindest zwei benachbart zueinander angeordneten Leiterelementen (60a, 60b) vorhanden ist.
Elektrische nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kühlkanal (10) und dem Isolationskörper (100) eine (zweite) Wärmeübertragungsschicht (112b) aus Kunststoff (11) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Isolationskörper (100) und dem Statorkörper (7) mit den zwei in Umfangsrichtung (U) benachbarten Statorzähnen (8a, 8b) eine (dritte) Wärmeübertragungsschicht (112c) aus Kunststoff (11) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass - die ersten Leiterelemente (60a) in der radial inneren Wicklungszone (59a) angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame erste Phase einer elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden sind; und dass - die zweiten Leiterelemente (60b) in der radial äußeren Wicklungszone (59b) angeordnet und zum Anschluss an eine gemeinsame zweite Phase der elektrischen Stromquelle elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Leiterelemente (60a) mittels der Phasenisolation (108), elektrisch gegenüber den zweiten Leiterelementen (60b) isoliert sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den dem Zwischenraum (9) zugewandten Oberflächenabschnitten der beiden Statorzähne (8a, 8b) oder/und des Statorkörpers (7) eine Stützstruktur (120) vorgesehen ist, an welcher sich die Außenwandungen (101b-d) des Isolationskörpers (100) abstützen, so dass diese im Abstand zu den Statorzähnen (8a, 8b) bzw. zum Statorkörper (7) angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (120) durch Vorsprünge (121) gebildet ist, die von den Statorzähnen (8a, 8b) bzw. vom Statorkörper (7) in den Zwischenraum (9) abstehen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (11) integral an den Statorzähnen (8a, 8b) bzw. am Statorkörper (7) ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kunststoff (K) der ersten Wärmeübertragungsschicht durch ein, vorzugsweise elektrisch isolierendes, erstes Kunststoffmaterial (K1) gebildet ist, - der Kunststoff (K) der zweiten Wärmeübertragungsschicht durch ein, vorzugsweise elektrisch isolierendes, zweites Kunststoffmaterial (K2) gebildet ist, - der Kunststoff (K) der dritten Wärmeübertragungsschicht durch ein, vorzugsweise elektrisch isolierendes, drittes Kunststoffmaterial (K3) gebildet ist, - der Kunststoff (K) des elektrischen Isolationskörpers (100), insbesondere der Außenwandungen (101a-101d) durch ein, vorzugsweise elektrisch isolierendes, viertes Kunststoffmaterial (K4) gebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Kunststoffmaterial (K1) oder/und das zweite Kunststoffmaterial (K2) oder/und das dritte Kunststoffmaterial (K3) oder/und das vierte Kunststoffmaterial (K4) ein Thermoplast ist, - das erste Kunststoffmaterial (K1) oder/und das zweite Kunststoffmaterial (K2) oder/und das dritte Kunststoffmaterial (K3) oder/und das vierte Kunststoffmaterial (K4) ein Duroplast ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste oder/und zweite oder/und dritte oder/und vierte Kunststoffmaterial (K1, K2, K3, K4) identische Wärmeleitfähigkeiten aufweisen; oder/und dass - wenigstens zwei Kunststoffmaterialien (K1, K2, K3, K4), vorzugsweise alle vier Kunststoffmaterialien (K1, K2, K3, K4), jeweils unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen. - das erste oder/und zweite oder/und dritte oder/und vierte Kunststoffmaterial (K1, K2, K3, K4) unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste oder/und zweite oder/und dritte oder/und vierte Kunststoffmaterial (K1, K2, K3, K4) identische Materialien sind; oder/und dass - das erste oder/und zweite oder/und dritte oder/und vierte Kunststoffmaterial unterschiedliche (K1, K2, K3, K4) Materialien sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs (11), insbesondere des ersten oder/und zweiten oder/und dritten oder/und vierten Kunststoffmaterials (K1, K2, K3, K4), mindestens 0,5 W/m K, bevorzugt mindestens 1 W/ m K, beträgt.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.