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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung eines Stators.
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Die Leistung von elektrischen Maschinen ist meist durch deren thermische Grenzen limitiert. Dabei steht der Stator im Fokus, dessen elektrische Leitungen üblicherweise durch ohm'sche Widerstände die meiste Hitze entwickeln und mit dem Statoreisen des Statorblechpaketes aufgrund von Magnetisierungs- und Wirbelstromverlusten zum leistungsbegrenzenden Bauteil einer elektrischen Maschine werden. Neben der Hitzeverträglichkeit der verbauten Komponenten spielt die Kühlung eine entscheidende Rolle. Die Abführung von Wärme aus Statoren mittels außen am Stator angeordneten Kühlelementen ist weit verbreitet. Dazu muss die Wärme allerdings durch das Statorjoch nach außen zu den Kühlelementen geführt werden.
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Zur Herstellung des Statorjochs wird gewöhnlich, Siliziumstahl, seltener auch Kobalt- und Nickellegiereungen, oft einfach Statoreisen genannt, verwendet. Die thermische Leitung des Statoreisens von den Statornuten zu den Kühlelementen ist aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der genutzten Materialien stark eingeschränkt. Ein dünneres Statorjoch, also ein geringerer Statoraußendurchmesser wäre thermisch vorteilhaft, bringt allerdings deutliche Nachteile hinsichtlich des magnetischen Flusses durch den Stator. Ein zu dünnes Statorjoch würde absättigen und der magnetische Fluss ließe sich nicht aufrechterhalten.
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Um die thermische Leitfähigkeit des Statorjochs zu erhöhen, ist aus der Druckschrift
EP 2 793 375 B1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine bekannt, welcher Wärmeleiter aufweist. Die Wärmeleiter verbessern den Wärmetransport vom Inneren des Stators hin zur Außenseite des Stators. Problematisch hierbei ist jedoch, dass Wärmeleiter typischerweise keine gute magnetische Leitfähigkeit aufweisen und somit den magnetischen Fluss im Stator behindern. Die Folge sind hohe Leistungsverluste.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stator bereitzustellen, welcher die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern eine sehr gute Wärmeleitung durch das Statorjoch vom Inneren des Stators hin zur Außenseite des Stators ermöglicht und gleichzeitig eine Behinderung des magnetischen Flusses im Stator minimiert.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine aufweisend eine Mehrzahl von zu einem Statorblechpaket in einer axialen Richtung gestapelten Statorblechen, wobei die Statorbleche eine Mehrzahl von sich in einer radialen Richtung erstreckenden streifenförmigen Einlegeteilen aufweisen, wobei die Einlegeteile eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als das restliche Statorblech, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorbleche in einer azimutalen Richtung um einen Drehwinkel so gegen einander gedreht sind, dass die Einlegeteile direkt benachbarter Statorbleche in axialer Richtung nicht übereinander angeordnet sind.
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Der erfindungsgemäße Stator ermöglicht es, dass der in azimutaler Richtung fließende magnetische Fluss nicht durch die Einlegeteile behindert wird, sondern dort, wo ein Einlegeteil angeordnet ist, auf ein benachbartes Statorblech wechseln kann. Für den magnetischen Fluss ergibt sich somit die Möglichkeit in einer Art Slalom mit minimaler Behinderung in azimutaler Richtung durch den Stator zu fließen. Die einzelnen Statorbleche sind gleicher Ausprägung. Dies ist sinnvoll, da Werkzeuge zur Herstellung der Statorbleche teuer sind und so durch eine Vereinheitlichung der Komponenten des Stators Geldeinsparungen möglich sind. Um zu erreichen, dass die Einlegeteile direkt benachbarter Statorbleche nicht direkt übereinander liegen, werden die Statorbleche nun gegeneinander gedreht gestapelt. Das heißt, dass auf ein erstes Statorblech ein zweites Statorblech zentriert, aber um den Drehwinkel in azimutaler Richtung gedreht aufgelegt wird. Auf das zweite Statorblech wird nun ein drittes Statorblech zentriert und wiederum um den Drehwinkel in azimutaler Richtung gedreht aufgelegt. Dies wird wiederholt, bis alle Statorbleche zum Statorblechpaket aufgestapelt sind. Mit azimutaler Richtung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung die Umfangrichtung des Stators beschrieben. Die Drehung in azimutaler Richtung ist somit eine Drehung innerhalb der Haupterstreckungsebene des Statorbleches um den geometrischen Mittelpunkt des Statorbleches. Alle genannten Winkel verstehen sich im Sinne der vorliegenden Erfindung als Winkel innerhalb der Haupterstreckungsebene des Statorbleches. Denkbar ist, dass ein Statorblech 10 oder mehr, bevorzugt 15 oder mehr, besonders bevorzugt 20 oder mehr Einlegeteile aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Länge der Einlegeteile in radialer Richtung mindestens viermal so groß ist, wie eine Breite der Einlegeteile in azimutaler Richtung. Dies ermöglicht eine sehr gut gerichtete und leistungsfähige Wärmeleitung vom Inneren des Stator hin zu seiner Außenseite.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Dicke der Einlegeteile in axialer Richtung einer Dicke der Statorbleche in axialer Richtung entspricht. Dies verbessert zum einen die Wärmeleitung weiterhin und ermöglicht zum anderen ein dichtes Packen des Statorblechpaketes. Denkbar ist, dass die Dicke der Statorbleche zwischen 100 µm und 1 mm, bevorzugt zwischen 200 µm und 400 µm ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Statorbleche an ihrer Außenseite mindestens zwei, vorzugsweise vier, Aussparungen aufweisen, wobei die Aussparungen in azimutaler Richtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei die Statorbleche in azimutaler Richtung so gegen einander gedreht sind, dass die Aussparungen aller Statorbleche in axialer Richtung übereinander angeordnet sind. Die Aussparungen der Statorbleche ergeben so über die Länge des Stators in axialer Richtung angeordnete Registrierungsaussparungen zum Fixieren des Stators.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Statorbleche n Aussparungen aufweisen, wobei die Aussparungen und die Einlegeteile so angeordnet sind, dass zwischen zwei Statorblechen mit in axialer Richtung übereinander angeordneten Einlegeteilen n-1 Statorbleche angeordnet sind, wobei der Stator vorzugsweise in axialer Richtung zwischen den zwei Statorblechen keine Einlegeteile aufweist, welche in axialer Richtung mit den Einlegeteilen der zwei Statorbleche übereinander angeordneten sind. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise, dass die Statorbleche so gedreht sind, dass die Registrierungsaussparungen in axialer Richtung durchgehend sind und gleichzeitig die Entfernung zwischen zwei in axialer Richtung übereinanderliegenden Einlegeteilen maximal wird, was eine Störung des magnetischen Flusses weiterhin verringert. Bei n Aussparungen ergibt sich der Drehwinkel somit zu α=360°/n.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einlegeteile in azimutaler Richtung nicht gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Dies ermöglicht eine vorteilhaft weite und geschickte Beabstandung der Einlegeteile.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass die Einlegeteile in azimutaler Richtung in Gruppen zu je mindestens zwei Einlegeteilen angeordnet sind, wobei die Einlegeteile einer Gruppe in azimutaler Richtung um einen Azimutalwinkel voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Gruppen in azimutaler Richtung um Gruppenwinkel voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Azimutalwinkel aller Gruppen gleich sind. Damit ist eine weiterhin verbesserte Anordnung der Einlegeteile möglich.
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Vorzugsweise ist dazu vorgesehen, dass der Azimutalwinkel und die Gruppenwinkel voneinander verschieden sind, wobei die Gruppenwinkel vorzugsweise voneinander verschieden sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einlegeteile zumindest teilweise aus Aluminium und/oder Kupfer gefertigt sind. Die genannten Materialien weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf und lassen sich hervorragend als Einlegeteile einwalzen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einlegeteile eine elektrisch isolierende Beschichtung, vorzugsweise eine elektrisch isolierende Lackierung, aufweisen. Damit kann eine Störung des magnetischen Flusses weiterhin reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator an seiner Außenseite ein Kühlelement, vorzugsweise einen Kühlmantel und/oder Kühlrippen, aufweist. Dies ermöglicht ein effektives Abführen der Wärme von der Außenseite des Stators. Vorzugsweise ist das Kühlelement zumindest teilweise aus Aluminium hergestellt. Denkbar ist, dass das Kühlelement aufgeschrumpft ist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist eine elektrische Maschine aufweisend einen erfindungsgemäßen Stator.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug aufweisend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stators, wobei aus einem Blech ein Statorblechvorteil mit Schlitzen gestanzt wird, wobei die Einlegeteile gestanzt werden, wobei anschließend die Einlegeteile in die Schlitze eingewalzt werden, wobei die Statorblechvorteile mit eingewalzten Einlegeteilen als Statorbleche gegeneinander gedreht aufgestapelt und paketiert werden. Vorzugsweise werden die Statorbleche zum Statorblechpaket durch Stanzpaketierung, mittels eines Backlacks, einer Verklebung oder durch Verschweißen paketiert.
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Alle zuvor offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich sowohl auf den erfindungsgemäßen Stator, die erfindungsgemäße elektrische Maschine, das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, als auch auf das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 (a) und (b) illustrieren schematisch einen Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 (a) bis(d) illustrieren schematisch jeweils ein Statorblech eines Stators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch einen Schnitt durch einen Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 (a) und (b) illustrieren jeweils schematisch einen Stator 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Statorblechpaket 2. Das Statorblechpaket 2 weist die in axialer Richtung A aufeinander gestapelten und miteinander verschweißten Statorbleche 3 auf. Im Betrieb des Stators 1 entsteht vornehmlich im Inneren des Stator 2 Wärme. An der Außenseite des Stators 1 ist ein nicht dargestellter Kühlmantel aus Aluminium aufgeschrumpft. Der Kühlmantel wird von einer Kühlflüssigkeit durchströmt und kühlt die Außenseite des Statorblechpaketes 2. An den in azimutaler Richtung gleichverteilten vier Registrieraussparungen 5 ist der Kühlmantel fixiert. Um eine Wärmeleitung vom Inneren des Statorblechpakets 2 hin zur Außenseite des Statorblechpaketes 2 zu verbessern, weisen die Statorbleche 3 in radialer Richtung R angeordnete streifenförmige Einlegeteile 4 auf. Die Einlegeteile 4 sind aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer oder Aluminium gefertigt. Durch die strahlenförmige Anordnung der gut wärmeleitenden Einlegeteile 4 kann die Wärme aus dem Inneren gut hin zum Kühlmantel geführt werden.
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Materialien mit einer guten Wärmeleitfähigkeit weisen häufig eine schlechte Leitfähigkeit für den magnetischen Fluss (siehe Bezeichner F in 3) auf. Die Einlegeteile 4 sind daher zwar vorteilhaft für die Wärmeleitfähigkeit, behindern aber den magnetischen Fluss in azimutaler Richtung U beim Betrieb des Stators.
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Um diese Behinderung zu verringern, sind die Statorbleche um einen Drehwinkel D in azimutaler Richtung U gegeneinander gedreht. Aus darstellerischen Gründen ist dies in der 1 nicht zu erkennen, wird aber in der 2 illustriert.
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Die Einlegeteile 4 sind in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen in Gruppen 6 zu je vier Einlegeteilen 4 angeordnet. Innerhalb jeder Gruppe 6 sind die Einlegeteile 4 in azimutaler Richtung U um den Azimutalwinkel φ voneinander beabstandet. Der Azimutalwinkel φ ist dabei bei allen Gruppen 6 gleich groß. Die Gruppen 6 sind wiederrum in azimutaler Richtung U um den Gruppenwinkel φG voneinander beabstandet. Die Gruppenwinkel φG zwischen den verschiedenen Gruppen 6 sind verschieden groß.
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2 (a) bis(d) illustrieren schematisch jeweils ein Statorblech 3 eines Stators 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zur besseren Erkennbarkeit sind die Details der Statorbleche 3 hier nicht weiter bezeichnet. Dargestellt sind Statorbleche 3 eines Stators 1 gemäß einem der Ausführungsbeispiele aus 1. 2 (a) bis (d) zeigen dabei vier Statorbleche 3, welche jeweils um den Drehwinkel D in azimutaler Richtung U gedreht sind. Die Statorbleche 3 weisen jeweils 4 Registrieraussparungen auf. Damit die Registrieraussparungen beim den als Statorblechpaket übereinander gestapelten Statorblechen 3 in axialer Richtung übereinander liegen, sind die Statorbleche 3 um den Drehwinkel D = 360°/4 = 90° zueinander gedreht. Somit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, mit identischen, aber gedrehten, Statorblechen 3 eine gute Wärmeleitung vom Inneren des Stators an dessen Außenseite zu ermöglichen und trotzdem den magnetischen Fluss nicht durch barrierenartig angeordnete und den magnetischen Fluss schlecht leitende Einlegeteile zu behindern.
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3 illustriert schematisch einen Schnitt durch einen Stator 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zu erkennen sind die in axialer Richtung A übereinander gestapelten und gegeneinander in azimutaler Richtung gedrehten Statorbleche 3. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur drei Statorbleche 3 bezeichnet. Die Einlegeteile 4, der besseren Erkennbarkeit halber sind nur vier Einlegeteile 4 bezeichnet, liegen nicht in axialer Richtung A barrierenartig übereinander, sondern sind versetzt treppenförmig angeordnet. Dies ermöglicht dem magnetischen Fluss F ein relativ ungestörtes Fließen dadurch, dass er zu Umgehung der Einlegeteile 4 auf ein benachbartes Statorblech 3 wechseln kann.
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4 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer elektrischen Maschine 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die elektrische Maschine 100 weist einen hier nicht weiter gezeigten und bezeichneten Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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