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Die Erfindung betrifft ein Blechpaket für einen Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine, deren Rotor zum Durchführen einer Rotationsbewegung relativ zum Stator auf einer Rotationsachse angeordnet ist, wobei das Blechpaket mit mehreren Kühlkanälen, welche dazu ausgebildet sind, ein Ferrofluid zu führen und Wärme aus dem Blechpaket an das Ferrofluid abzugeben, durchsetzt ist. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine elektrische Maschine, deren Stator und/oder Rotor ein solches Blechpaket aufweist, sowie ein Kraftfahrzeug mit der derart ausgestalteten elektrischen Maschine.
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Bei einer elektrischen Maschine, insbesondere einer sogenannten rotierenden elektrischen Maschine, handelt es sich um eine Vorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, Energie zwischen den Energieformen mechanischer Energie und elektrischer Energie umzuformen. In einem Generatorbetrieb kann die elektrische Maschine mechanische Energie, insbesondere Bewegungs- oder Rotationsenergie, in elektrische Energie umwandeln. In einem Motorbetrieb kann die elektrische Maschine elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere Bewegungs- oder Rotationsenergie, umwandeln. Gattungsgemäße elektrische Maschinen mit einem Stator und einem Rotor, sowie auch entsprechende Blechpakete hierfür sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Bewegung, in der die mechanische Energie gespeichert ist, ist insbesondere eine Bewegung des Rotors der elektrischen Maschine relativ zum Stator. Der Stator, auch Ständer genannt, ist üblicherweise drehfest angeordnet. Dementsprechend wird die Bewegung, insbesondere die Drehbewegung, üblicherweise durch den Rotor, auch Läufer genannt, ausgeführt.
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Zwischen dem Stator und dem Rotor besteht während eines bestimmungsgemäßen Betriebs der elektrischen Maschine üblicherweise eine elektromagnetische Wirkverbindung. Diese elektromagnetische Wirkverbindung entsteht durch einen magnetischen Fluss innerhalb der elektrischen Maschine. Dieser elektrische Fluss wird zumindest teilweise basierend auf dem Prinzip eines Elektromagnetismus erzeugt. Hierzu weist zumindest der Stator oder zumindest der Rotor zumindest eine durch einen elektrischen Leiter gebildete Wicklung auf. In manchen Ausführungsformen weisen sowohl der Stator als auch der Rotor jeweils zumindest eine Wicklung auf. In manchen Ausführungsformen kann die Wicklung des Stators oder des Rotors durch einen Permanentmagneten gebildet oder ergänzt sein.
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Stator und/oder Rotor der rotierenden elektrischen Maschine weisen üblicherweise ein Blechpaket auf. Das Blechpaket ist in der Regel aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt, beispielsweise aus einem Ferrit oder einer Mehrzahl untereinander elektrisch isolierter ferromagnetischer Bleche. Das Blechpaket ist dazu ausgebildet, den magnetischen Fluss zu führen beziehungsweise zu leiten.
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Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine wird stets ein gewisser Anteil einer zugeführten mechanischen oder elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt. Insbesondere kann Wärme in Form von Reibungswärme und aufgrund ohmscher Verluste in den Wicklungen der elektrischen Maschine entstehen. Eine weitere Wärmequelle sind Wirbelstromverluste im Blechpaket, welche durch den Aufbau aus nicht-leitend verbundenen Blechen möglichst minimiert werden sollen. Dennoch ist für den Betrieb der elektrischen Maschine, insbesondere wenn eine hohe Leistungsdichte erzeugt werden soll, beispielsweise für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug, die Abführung der anfallenden Wärme essenziell.
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Die
US 2014 000 90 25 A1 zeigt die Anordnung von Kühlkanälen in einem Stator einer elektrischen Maschine.
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Die
EP 1 959 538 A2 offenbart die Führung eines magnetischen Hauptflusses zwischen Primärteil und Sekundärteil einer elektrischen Maschine zumindest abschnittsweise mittels eines Ferrofluids. Der magnetische Hauptfluss wird demnach nicht ausschließlich mittels der Blechpakete geführt, sondern ganz oder teilweise mittels einer Flussleitflüssigkeit, dem Ferrofluid.
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Zuletzt offenbart die
JP 2013-526 826 A ein Ferrofluid zur Kühlung einer elektrischen Maschine.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Kühlung sowie einen effizienten Betrieb einer elektrischen Maschine zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung geht aus von einem Blechpaket für einen Stator und/oder Rotor einer einen Luftspalt zwischen Stator und Rotor aufweisenden elektrischen Maschine, deren Rotor zum Durchführen einer Rotationsbewegung relativ zum Stator auf einer Rotationsachse angeordnet ist, wobei das Blechpaket mit mehreren Kühlkanälen, welche dazu ausgebildet sind, ein Ferrofluid zu führen und Wärme aus dem Blechpaket an das Ferrofluid abzugeben, durchsetzt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kühlkanäle durch einen jeweiligen Rohreinsatz gebildet sind und der jeweilige Rohreinsatz aus einem Verbundwerkstoff gebildet ist, welcher zumindest eine nicht-ferromagnetischen Matrix mit einer Vielzahl darin eingebetteter ferromagnetischer Partikel umfasst.
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Mit anderen Worten ist das Blechpaket derart ausgestaltet, dass es im Stator und/oder Rotor einer elektrischen Maschine verwendbar ist, welche einen Luftspalt zwischen Stator und Rotor aufweist und deren Rotor zum Durchführen einer Rotationsbewegung relativ zum Stator auf einer Rotationsachse drehbar gelagert ist. Dass das Blechpaket in einer derartigen Maschine verwendbar ist, bedeutet insbesondere, dass das Blechpaket zur Verwendung in einer derartigen elektrischen Maschine ausgestaltet ist. Insbesondere ist das Blechpaket zur Anordnung in der elektrischen Maschine als Teil des Stators und/oder des Rotors ausgebildet. Im Falle einer Nutzung eines erfindungsgemäßen Blechpakets sowohl als Teil des Stators als auch des Rotors ist insbesondere vorgesehen, dass für den Stator und den Rotor ein jeweiliges für den jeweiligen Zweck ausgebildetes Blechpaket genutzt wird. Der Stator und der Rotor einer entsprechenden elektrischen Maschine sind in einem betriebsbereiten Zustand der elektrischen Maschine durch den Luftspalt voneinander beabstandet.
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Je nach Anwendungsbereich der elektrischen Maschine kann das Blechpaket aus einem anderen Werkstoff gefertigt sein. Im Falle einer automobilen Anwendung ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Blechpaket aus einer Vielzahl an Blechlagen zusammengesetzt ist, welche jeweils untereinander isoliert sind. Auf diese Weise können Wirbelstromverluste wirksam verringert werden. Innerhalb des Blechpakets sind die Kühlkanäle angeordnet. Die Kühlkanäle können mäanderförmig, spiralförmig (insbesondere in Umfangsrichtung) oder bevorzugt in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse verlaufen. In axialer Richtung bedeutet dabei insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse. In Umfangsrichtung bedeutet insbesondere, dass die Kühlkanäle jeweils zumindest teilweise zirkulär beziehungsweise kreisförmig um die Rotationsachse verlaufen. In einem betriebsbereiten Zustand des Blechpakets sind die jeweiligen Kühlkanäle mit dem Ferrofluid gefüllt. In einem nicht-betriebsbereiten Zustand des Blechpakets, beispielsweise zur Wartung oder Revision, kann das Ferrofluid aus dem Blechpaket abgelassen werden. Je nach Betriebszustand kann das Blechpaket somit das Ferrofluid umfassen oder nicht umfassen.
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Bei dem Ferrofluid handelt es sich um eine Flüssigkeit, welche eine hohe magnetische Permeabilität aufweist. Mit anderen Worten ist das Ferrofluid dazu ausgebildet, magnetischen Fluss weiterzuleiten. Insbesondere handelt es sich bei dem Ferrofluid um eine Suspension magnetischer Partikel in einer Trägerflüssigkeit. Die magnetischen Partikel in der Trägerflüssigkeit können auch als Kolloide bezeichnet werden, da sie in der Trägerflüssigkeit sehr fein verteilt sind. Bevorzugt handelt es sich bei dem Ferrofluid um eine stabile Dispersion, was bedeutet, dass sich die festen Teilchen, also die magnetischen Partikel, nicht mit der Zeit absetzen und/oder sich selbst in starken magnetischen Feldern nicht aneinander anlagern und/oder sich von der Flüssigkeit als andere Phase abscheiden. Insbesondere ist das Ferrofluid superparamagnetisch. Die magnetischen Partikel können beispielsweise aus Eisen, Magnetit oder Kobalt bestehen. Dabei sind die magnetischen Partikel insbesondere kleiner als eine magnetische Domäne, beispielsweise fünf bis zehn Nanometer im Durchmesser. Die Trägerflüssigkeit kann beispielsweise Öl oder Wasser umfassen.
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Um das Auslaufen des Ferrofluids aus den Kühlkanälen zu vermeiden, sind die Kühlkanäle durch den jeweiligen Rohreinsatz gebildet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Blechpaket aus der Vielzahl einzelner Blechlagen zusammengesetzt ist. In diesem Fall ist es besonders schwierig, eine ausreichende Dichtigkeit des Blechpakets zu gewährleisten. Allgemein kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Rohreinsätze aus einem anderen Material gebildet sind als das restliche Blechpaket. Mit anderen Worten kann das Blechpaket zum überwiegenden Teil aus der Vielzahl einzelner Blechlagen gebildet sein, wobei die Rohreinsätze eine jeweilige Wandung zu einem jeweiligen der mehreren Kühlkanäle ausbilden. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Rohreinsätze aus einem anderen Material gebildet sind als das restliche Blechpaket. Durch die jeweiligen Rohreinsätze kann eine hohe Dichtigkeit der Kühlkanäle gewährleistet werden. Insbesondere können die Rohreinsätze aus einem einzigen Stück oder aus mehreren Einzelstücken gefertigt sein, wobei insgesamt weniger Nähte an den Wandungen der Kühlkanäle vorliegen, als wenn die Kühlkanäle in die Vielzahl an Blechlagen eingelassen wären.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Rohreinsätze aus dem Verbundwerkstoff gebildet sind, wobei der Verbundwerkstoff zumindest die nicht-ferromagnetischen Matrix und die Vielzahl darin eingebetteter ferromagnetischer Partikel umfasst. Dementsprechend kann der Verbundwerkstoff ein Teilchenverbundwerkstoff sein. Bei dem Verbundwerkstoff kann der nicht-ferromagnetische Matrix eine Matrix ausbilden, in welche die Vielzahl an ferromagnetischen Partikeln eingelagert ist. Vorteilhafterweise kann es sich bei dem Verbundwerkstoff um ein Komposit handeln, welches beispielsweise mittels eines Sinterverfahrens hergestellt wurde. Dabei werden die ferromagnetischen Partikel zur Erzielung einer magnetischen Leitfähigkeit entsprechend eines jeweiligen Anwendungsgebiets für das Blechpaket beigefügt. Die Partikel können beispielsweise eine Partikelgröße von etwa 100 Mikrometer aufweisen. Insgesamt ist der Verbundwerkstoff bevorzugterweise weichmagnetisch. Weichmagnetisch kann beispielsweise bedeuten, dass der Verbundwerkstoff eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 1000 Ampere pro Meter aufweist. Es ist somit eine relativ leichte Änderung der magnetischen Polarisation des Verbundwerkstoffs möglich, wodurch Hystereseverluste reduziert sind. In einem Betrieb eines Elektromotors mit dem Blechpaket gibt es somit vergleichsweise geringe Hystereseverluste.
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Insgesamt ist durch das erfindungsgemäße Blechpaket eine Möglichkeit geschaffen, einerseits eine effiziente Kühlung desselben zu ermöglichen und andererseits Verluste an den Kühlkanälen zu reduzieren und hierdurch einen effizienten Betrieb einer elektrischen Maschine mit einem solchen Blechpaket zu ermöglichen.
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In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die ferromagnetischen Partikel voneinander elektrisch isoliert sind. Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff elektrisch isolierende Anteile beinhalten. Insbesondere ist vorgesehen, dass die elektrisch isolierenden beziehungsweise elektrisch nicht leitfähigen Anteile Teil der nicht-ferromagnetischen Matrix sind. Dementsprechend kann die nicht-ferromagnetische Matrix dazu ausgebildet sein, die Vielzahl darin eingebetteter ferromagnetischer Partikel voneinander elektrisch zu isolieren. Mit anderen Worten ist die Matrix in diesem Fall dazu ausgebildet, einen elektrischen Stromfluss zwischen den ferromagnetischen Partikeln zu unterbinden. Die Matrix kann hierzu aus einem Isolator bezeigungsweise mehreren Isolatormaterialien gebildet sein. Der Anteil isolierender Anteile kann so gewählt sein, dass sich ein geringer Perkolationsgrad, also ein geringes Maß für einen Zusammenschluss der ferromagnetischen Partikel, einstellen kann. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich keine oder nur in geringem Umfang Leitungspfade zwischen den ferromagnetischen Partikeln ausbilden. Durch die elektrische Isolierung der ferromagnetischen Partikel voneinander können Wirbelstromverluste in dem jeweiligen Rohreinsatz verringert oder vermieden werden.
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In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die ferromagnetischen Partikel an ihrer Oberfläche eine jeweilige Isolationsschicht aufweisen. Mit anderen Worten ist eine Oberfläche der ferromagnetischen Partikel elektrisch isolierend aufgeführt. Dies kann beispielsweise durch Aufbringen der Isolationsschicht erfolgen, wobei die Isolationsschicht in diesem Fall aus einem anderen Material als der Rest des ferromagnetischen Partikels bestehen kann. Alternativ kann die Oberfläche der ferromagnetischen Partikel physikalisch und/oder chemisch gegenüber dem restlichen ferromagnetischen Partikel verändert sein, sodass dieser an der Oberfläche nicht leitend ist. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass der ferromagnetische Partikel inklusive dessen Oberfläche ursprünglich aus demselben Material gefertigt ist, welches insbesondere elektrisch leitfähig ist, wobei die Oberfläche erst durch die nachträgliche Behandlung elektrisch isolierend ausgebildet wurde. Durch eine Isolationsschicht an der Oberfläche der ferromagnetischen Partikel kann zusätzlich oder alternativ zur elektrisch isolierenden Matrix die Bildung von Wirbelströmen verringert oder verhindert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kühlkanäle axial bezüglich der Rotationsachse verlaufen, wobei deren Länge vorzugsweise zumindest im Wesentlichen der axialen Ausdehnung des Blechpakets entspricht. Mit anderen Worten verlaufen die Kühlkanäle parallel zur Rotationsachse. Vorteilhafterweise entspricht die Länge der Kühlkanäle in diesem Fall zumindest im Wesentlichen der axialen Länge des Blechpakets beziehungsweise einem Korpus des Blechpakets, also beispielsweise desjenigen Teils des Blechpakets, welcher aus Blechlagen gefertigt ist. Hierbei handelt es sich um eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Kühlkanäle, um die Wärme aus dem Blechpaket abzuführen.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die ferromagnetischen Partikel aus einem Metall, insbesondere Eisen, gebildet sind. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die magnetischen Partikel aus Metall, insbesondere Eisen, oder aus dem Metall und zumindest einem weiteren Werkstoff gebildet sind. Sind die ferromagnetischen Partikel neben dem Metall aus zumindest einem weiteren Werkstoff gebildet, so nimmt das Metall zumindest den überwiegenden Anteil in der Zusammensetzung ein, sodass der metallische Charakter, insbesondere hinsichtlich des Ferromagnetismus, nicht verlorengeht. Im Falle metallischer ferromagnetischer Partikel handelt es sich um eine besonders effiziente und kostengünstige Möglichkeit, die ferromagnetischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs bereitzustellen. Durch die optionale Isolierung der ferromagnetischen Partikel voneinander kann zudem die Entstehung von Wärme durch Wirbelströme reduziert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die nicht-ferromagnetische Matrix aus einem Kunststoff gebildet ist. Mit anderen Worten kann die nicht-ferromagnetische Matrix aus dem Kunststoff oder aus dem Kunststoff und zumindest einem weiteren Werkstoff gebildet sein. Bei dem Kunststoff kann es sich insbesondere um ein Kunstharz, beispielsweise Epoxidharz, handeln. Durch eine aus Kunststoff gebildete Matrix kann eine besonders leichte und kostengünstige Verarbeitbarkeit des Verbundwerkstoffs gewährleistet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Blechpaket in einer Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse nebeneinander angeordnete Zähne aufweist, welche Nuten zur Aufnahme von wenigstens einem eine wenigstens eine Wicklung bildenden elektrischen Leiter begrenzen, wobei an den Nuten ein jeweiliger der mehreren Kühlkanäle angeordnet ist und dieser die jeweilige Nut an ihrer dem Luftspalt abgewandten Unterseite in radialer Richtung zumindest teilweise begrenzt. Mit anderen Worten sind die Zähne in der Umfangsrichtung des Blechpakets nebeneinander angeordnet. Die Umfangsrichtung ist dabei auf die Rotationsachse, auf welcher der Rotor der elektrischen Maschine relativ zum Stator angeordnet werden soll, definiert. Diese Definition ist auch für das Blechpaket alleine sinnvoll, da ein Blechpaket üblicherweise zumindest im Wesentlichen radialsymmetrisch ist. Zwischen zwei benachbarten Zähnen befindet sich eine jeweilige Nut zur Aufnahme wenigstens einer Wicklung. Eine solche Wicklung kann aus wenigstens einem elektrischen Leiter gebildet sein.
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Gemäß der hier beschriebenen Weiterbildung ist an den Nuten ein jeweiliger der mehreren Kühlkanäle angeordnet, welcher die jeweilige Nut an ihrer dem Luftspalt abgewandten Unterseite in radialer Richtung zumindest teilweise begrenzt. Als Unterseite ist dabei diejenige Seite einer Nut definiert, welche dem Luftspalt in radialer Richtung gegenüberliegt. An ihrer Oberseite, welche der Unterseite gegenüberliegt, kann die jeweilige Nut in Richtung des Luftspalts vollständig oder teilweise geöffnet oder abgeschlossen sein. Mit anderen Worten wird die Unterseite einer jeweiligen Nut zumindest bereichsweise durch den jeweiligen der mehreren Kühlkanäle beziehungsweise durch den jeweiligen Rohreinsatz des entsprechenden Kühlkanals gebildet. Mit anderen Worten ist die Nut direkt mit dem jeweiligen Kühlkanal benachbart beziehungsweise in Verbindung. Zwischen der jeweiligen Nut und dem jeweiligen Kühlkanal ist in diesem Fall nur der Rohreinsatz des jeweiligen Kühlkanals angeordnet. Auf diese Weise kann eine besonders effektive Wärmeabfuhr aus der Nut beziehungsweise aus der Wicklung gewährleistet werden. Vorteilhafterweise weist jede der Nuten des Blechpakets einen jeweiligen Kühlkanal an ihrer Unterseite auf. In manchen Ausführungsformen kann jedoch auch vorgesehen sein, dass nur ausgewählte der Nuten einen solchen Kühlkanal an ihrer Unterseite aufweisen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass an den Nuten an ihrer jeweils dem Luftspalt abgewandten Unterseite ein jeweiliger Kühlkanal angeordnet ist, welcher von der Unterseite der entsprechenden Nut durch ein durch das Blechpaket gebildetes Zwischenstück, insbesondere in radialer Richtung, beabstandet ist. Mit anderen Worten bildet in diesem Fall nicht die Wandung des entsprechenden Kühlkanals beziehungsweise des Rohreinsatzes des entsprechenden Kühlkanals die Begrenzung der jeweiligen Nut an deren Unterseite aus, sondern die Nut ist durch das Blechpaket selbst begrenzt. Das Zwischenstück kann somit aus demselben Material gebildet sein, wie das Blechpaket, also beispielsweise aus einer oder mehreren Blechlagen. Das Zwischenstück liegt, insbesondere in radialer Richtung, zwischen der Unterseite der entsprechenden Nut und dem Kühlkanal beziehungsweise dem Rohreinsatz des entsprechenden Kühlkanals. Mit anderen Worten sind der Kühlkanal beziehungsweise dessen jeweiliger Rohreinsatz und die Nut, insbesondere in radialer Richtung, durch das Zwischenstück voneinander beabstandet. In diesem Fall ist keine direkte Verbindung zwischen dem Kühlkanal beziehungsweise dessen Rohreinsatz und der Nut beziehungsweise einer in der Nut angeordneten Wicklung möglich. Die Beabstandung durch das Zwischenstück ist in manchen Ausführungsformen ausschließlich bezüglich der radialen Richtung gegeben. In diesem Fall ist der Kühlkanal radial innen beziehungsweise außenliegend (je nachdem ob das Blechpaket für einen Stator oder Rotor ausgebildet ist) zur Unterseite der Nut angeordnet. Die Anordnung eines Kühlkanals kann an jeder der Nuten oder nur an einem Teil der Nuten vorgesehen sein. Stattdessen muss Wärme aus der Wicklung zunächst über das Zwischenstück in Richtung des Kühlkanals abfließen. Diese Ausführungsform kann jedoch eine erhöhte Stabilität und eine weniger komplexe Fertigung des Blechpakets nach sich ziehen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem in einer Öffnung des Stators drehbar gelagert angeordneten Rotor, wobei der Stator vom Rotor durch einen Luftspalt beabstandet ist. Die elektrische Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass der Stator und/oder der Rotor ein erfindungsgemäßes Blechpaket aufweist. Dabei kann das Blechpaket des Stators und/oder Rotors der elektrischen Maschine gemäß einer oder mehrerer der im Vorherigen oder im Nachfolgenden beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet sein. Mit anderen Worten gelten alle Ausführungsformen und Merkmal sowie deren Vorteile, welche in Bezug auf das erfindungsgemäße Blechpaket offenbart wurden, auch für die erfindungsgemäße elektrische Maschine. Aus Gründen der Knappheit wird auf eine Wiederholung dessen verzichtet.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit der oben genannten elektrischen Maschine. Insbesondere ist die elektrische Maschine dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Fahrzeug anzutreiben beziehungsweise zu beschleunigen. Zur Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Blechpakets beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 ein Blechpaket für einen Stator einer elektrischen Maschine in einer schematischen Perspektivansicht;
- 2 schematisch einen axialen Schnitt durch eine elektrische Maschine mit dem Blechpaket aus 1 als Teil des Stators; und
- 3 ebenfalls einen schematischen axialen Schnitt durch eine elektrische Maschine mit einer alternativen Ausführungsform des Blechpakets.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt ein Blechpaket 1 für einen Stator 7 beziehungsweise Ständer einer elektrischen Maschine 9, wie sie auszugsweise in den 2 und 3 dargestellt ist. Dementsprechend kann es sich bei dem Blechpaket 1 gemäß 1 um ein Statorblechpaket beziehungsweise ein Ständerblechpaket handeln. Diese Ausführungsform des Blechpakets ist jedoch rein beispielhaft zu verstehen, in anderen Ausführungsformen kann das Blechpaket 1 auch als Rotorblechpaket beziehungsweise Läuferblechpaket ausgeführt sein und Teil eines Rotors 8 der elektrischen Maschine 9 sein. Die nachfolgend beschriebenen Merkmale gelten daher analog für beide Ausführungsformen.
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Das Blechpaket 1 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Eine entsprechende Symmetrieachse kann einer Rotationsachse entsprechen, auf welcher der Rotor 8 relativ zum Stator 7 anzuordnen ist beziehungsweise im Falle der elektrischen Maschine 9 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das Blechpaket 1 zum Einbau in einer elektrischen Maschine 9 ausgebildet, deren Rotor 8 relativ zum Stator 7 auf einer Rotationsachse angeordnet ist. Anhand der 2 und 3 ist ersichtlich, dass zwischen Stator 7 und Rotor 8 ein Luftspalt 10 vorliegt. Mit anderen Worten sind Rotor 8 und Stator 7 relativ zueinander durch den Luftspalt 10 beabstandet. Dementsprechend ist auch das Blechpaket 1 für eine solche elektrische Maschine 9 ausgebildet.
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Das Blechpaket 1 ist insbesondere aus einer Vielzahl an Blechlagen gefertigt beziehungsweise gebildet. Mit anderen Worten weist das Blechpaket 1 eine Vielzahl an Blechlagen auf. Diese Blechlagen sind insbesondere elektrisch isoliert voneinander. Mit anderen Worten ist ein Stromfluss zwischen jeweiligen Blechlagen der Vielzahl an Blechlagen des Blechpakets 1 durch die entsprechende Isolierung unterbunden. Dies ist vorteilhaft, um Wirbelstromverluste in dem Blechpaket 1 zu minimieren und somit einen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 9 zu optimieren sowie eine Wärmeentwicklung im Blechpaket 1 zu minimieren.
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Bei der elektrischen Maschine 9 kann es sich beispielsweise um eine Gleichstrommaschine oder eine Wechselstrommaschine, insbesondere eine Drehstrommaschine handeln. Insbesondere kann die elektrische Maschine 9 als Asynchronmaschine oder als Synchronmaschine ausgeführt sein. In weiterer Ausgestaltung kann die elektrische Maschine 9 zusätzlich einen Reluktanzanteil aufweisen oder als Reluktanzmaschine ausgeführt sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass sowohl der Stator 7 als auch der Rotor 8 jeweils zumindest eine Wicklung 6 aufweisen. Eine solche Wicklung 6 ist in einem Betrieb der elektrischen Maschine 9 durch einen elektrischen Strom durchflossen, was zu einem magnetischen Fluss führt. Auf Basis dieses magnetischen Flusses sind Stator 7 und Rotor 8 in einer elektromagnetischen Wirkverbindung verbunden. Es kann auch vorgesehen sein, dass entweder in dem Stator 7 oder dem Rotor 8 statt einer Wicklung 6 oder zusätzlich zu einer Wicklung 6 ein Permanentmagnet angeordnet ist. In diesem Fall kann der magnetische Fluss, welcher durch den Rotor 8 oder den Stator 7 erzeugt wird, teilweise oder vollständig durch den entsprechenden Permanentmagneten erzeugt werden.
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Das Blechpaket 1 weist in Umfangsrichtung 20 nebeneinanderliegende Zähne 4 auf. Durch die Zähne 4 werden Nuten 5 begrenzt. Eine jeweilige Nut 5 kann sich dabei in axialer Richtung über das Blechpaket 1 erstrecken. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass die Zähne 4 die Nuten 5 nur in Umfangsrichtung begrenzen. In Richtung des Luftspalts 10 sind die Nuten 5 vorteilhafterweise ganz oder teilweise geöffnet. In den Nuten 5 ist zumindest ein die zumindest eine Wicklung 6 bildender Leiter angeordnet.
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In das Blechpaket 1 sind Kühlkanäle 2 eingelassen. Die Kühlkanäle 2 sind vorliegend in axialer Richtung angeordnet. Dabei durchmessen die Kühlkanäle 2 insbesondere das gesamte Blechpaket 1. Mit anderen Worten sind die Kühlkanäle 2 vorteilhafterweise von Stirnseite zu Stirnseite des Blechpakets 1 geführt. Die Kühlkanäle 2 sind dazu ausgebildet, ein Ferrofluid zu führen und Wärme aus dem Blechpaket 1 an das Ferrofluid abzugeben. Beispielsweise werden die Kühlkanäle 2 von dem Ferrofluid durchströmt, wenn sich die elektrische Maschine 9 in einem Betrieb befindet. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle 2 mit dem Ferrofluid gefüllt sind, wenn sich die elektrische Maschine 9 in einem betriebsbereiten Zustand befindet. In einem nicht betriebsbereiten Zustand der elektrischen Maschine 9 kann das Ferrofluid aus der elektrischen Maschine 9 beziehungsweise aus den Kühlkanälen 2 abgelassen sein. Durch eine entsprechende Kühleinrichtung, welche in den Fig. nicht dargestellt ist, der elektrischen Maschine 9 kann das Ferrofluid durch die Kühlkanäle 2 gepumpt werden. Beispielsweise kann diese Kühleinrichtung dazu ausgebildet sein, das Ferrofluid von einer der beiden Stirnseiten des Blechpakets 1 parallel durch alle Kühlkanäle 2 zur anderen Stirnseite des Blechpakets 1 zu befördern beziehungsweise zu pumpen. Dies entspricht einer Parallelschaltung aller Kühlkanäle 2. Alternativ kann die Kühleinrichtung dazu ausgebildet sein, das Ferrofluid von der ersten Stirnseite des Blechpakets 1 zur zweiten Stirnseite durch einen ersten der Kühlkanäle 2 zu befördern und durch einen weiteren Kühlkanal 2 wieder von der zweiten Stirnseite zur ersten Stirnseite zu befördern. Dies entspricht einer Reihenschaltung von zumindest zwei Kühlkanälen 2. Beispielsweise können zwei, drei, vier, fünf, sechs oder eine beliebige Anzahl an Kühlkanälen 2 auf diese Weise in Reihe geschaltet sein. Auch Mischungen aus Reihenschaltung und Parallelschaltung sind denkbar, indem mehrere solcher Reihenschaltungen aus zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Kühlkanälen 2 wiederum parallel geschaltet werden.
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Die Kühlkanäle 2 weisen einen jeweiligen Rohreinsatz 3 auf, der die jeweilige Wandung des entsprechenden Kühlkanals 2 ausbildet. Mit anderen Worten sind die Rohreinsätze 3 dazu ausgebildet, dem jeweiligen Kühlkanal 2 von dem restlichen Blechpaket, insbesondere der Vielzahl an Blechlagen, abzugrenzen. Insbesondere sind die Rohreinsätze 3 dementsprechend von Stirnseite zu Stirnseite des Blechpakets 1 geführt. Durch die Rohreinsätze 3 ist eine hohe Dichtigkeit der Kühlkanäle 2 gewährleistet. Dies ist aufgrund des geschichteten Aufbaus mit mehreren Blechlagen ansonsten häufig ein Problem.
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Die Rohreinsätze 3 sind aus einem Verbundwerkstoff gefertigt beziehungsweise gebildet. Dieser Verbundwerkstoff umfasst eine nicht-ferromagnetische Matrix mit einer Vielzahl darin eingebetteter ferromagnetischer Partikel. Mit anderen Worten handelt es sich um einen Teilchenverbundwerkstoff. Die Matrix kann insbesondere aus einem Kunststoff gebildet sein. Beispielsweise ist die Matrix aus Epoxidharz oder dergleichen gebildet. Bei den ferromagnetischen Partikeln kann es sich um metallische Partikel, insbesondere Eisenpartikel, handeln. Beispielsweise weisen die ferromagnetischen Partikel eine Partikelgröße von etwa 100 Mikrometer auf. Insgesamt weist der Verbundwerkstoff beispielsweise eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 1000 Ampere pro Meter auf, weshalb der Verbundwerkstoff als weichmagnetisch zu bezeichnen sein kann. Die ferromagnetischen Partikel können durch die Matrix des Verbundwerkstoffs voneinander elektrisch isoliert sein. Alternativ können die ferromagnetischen Partikel selbst an ihrer Oberfläche eine jeweilige Isolationsschicht aufweisen. Die Isolationsschicht kann beispielsweise durch eine jeweilige Beschichtung oder chemische beziehungsweise physikalische Veränderung der Oberfläche der ferromagnetischen Partikel hervorgerufen sein. Durch die Isolation werden Wirbelstromverluste in dem Verbundwerkstoff und somit in dem Rohreinsatz 3 minimiert.
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Durch die Füllung der Kühlkanäle 2 mit Ferrofluid sowie die Fertigung der Rohreinsätze 3 aus dem genannten Verbundwerkstoff kann eine besonders effiziente Kühlung des Blechpakets 1 gewährleistet werden und gleichzeitig ein effizienter Betrieb aufrecht erhalten werden. Denn sowohl der Verbundwerkstoff als auch das Ferrofluid sind jeweils magnetisch leitend. Dadurch wird eine Ausbreitung des magnetischen Flusses im Blechpaket und somit eine effiziente Leitung des magnetischen Flusses durch das Blechpaket nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber wasserführenden Kühlkanälen. Durch die Rohreinsätze 3 ist außerdem eine hohe Stabilität sowie eine hohe Dichtigkeit der Kühlkanäle 2 gewährleistet. Diese Eigenschaften ermöglichen zusammen eine Positionierung der Kühlkanäle 2 in einem Bereich der Nuten 5 beziehungsweise der darin angeordneten Wicklungen 6. Durch diese Nähe ist eine besonders effiziente Abfuhr thermischer beziehungsweise ohmscher Verluste in der zumindest einen Wicklung 6 möglich.
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Bezüglich der Anordnung der Kühlkanäle 2 in der Nähe der Nuten 5 zeigen die 2 und 3 zwei unterschiedliche Ausführungsformen. In der Ausführungsform gemäß 3 ist an den Nuten 5 ein jeweiliger der mehreren Kühlkanäle 2 angeordnet, wobei dieser die jeweilige Nut 5 an ihrer dem Luftspalt 10 abgewandten Unterseite 12 in radialer Richtung begrenzt. Mit anderen Worten ist die Unterseite 12 zumindest teilweise durch den entsprechenden Kühlkanal 2 beziehungsweise dessen jeweiligen Rohreinsatz 3 gebildet. Die Kühlkanäle 2 sind somit direkt benachbart zur jeweiligen Nut 5 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist eine hohe Kühlwirkung der zumindest einen Wicklung 6 gewährleistet, da zwischen der Nut 5 und dem Kühlkanal 2 nur der Rohreinsatz 3 ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2 befindet sich zwischen der Unterseite 12 und dem jeweiligen Kühlkanal 2 ein jeweiliges Zwischenstück 11 beziehungsweise ein sogenannter Zwischensteg. Mit anderen Worten beabstandet der Zwischensteg beziehungsweise das Zwischenstück 11 die Unterseite 12 der jeweiligen Nut 5 von dem jeweiligen Kühlkanal 2 in radialer Richtung. Das Zwischenstück 11 ist dabei durch das Material des restlichen Blechpakets 1 gebildet. Mit anderen Worten ist das Zwischenstück 11 nicht aus dem Verbundwerkstoff des jeweiligen Rohreinsatzes 3 gebildet. Somit ist das Zwischenstück 11 beispielsweise ebenso wie das Blechpaket 1 aus der Vielzahl an Blechlagen gebildet. In manchen Ausführungsformen kann das Zwischenstück 11 durch genau eine der Vielzahl an Blechlagen gebildet sein. In diesem Fall kann eine besonders einfache Fertigung erzielt werden, indem der Kühlkanal 2 auf diese eine Blechlage aufgebracht wird.
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In beiden Fällen ist die Unterseite 12 diejenige Begrenzung der jeweiligen Nut 5 in radialer Richtung, welche dem Luftspalt 10 abgewandt ist. Im Falle des vorliegenden Stators 7 ist das insbesondere die radial außenliegende Seite. Im Falle des Rotors 8 wäre dies beispielsweise die radial innenliegende Seite der Nut 5.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung magnetisierbare Kühlkanäle zur Kühlung von Rotoren und/oder Statoren von E-Maschinen bereitgestellt werden können.
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Dadurch, dass die Kühlkanäle 2 wie auch deren Rohreinsätze 3 jeweils magnetisch leitfähig sind, bedingt die Anordnung der Kühlkanäle 2 außerdem keinen zusätzlichen Raumbedarf und somit keine Erhöhung des Außendurchmessers. Denn die Leitung des magnetischen Flusses durch das Blechpaket 1 wird durch die vorliegende Kühlanordnung nicht wesentlich verändert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20140009025 A1 [0006]
- EP 1959538 A2 [0007]
- JP 2013526826 A [0008]
