DE102019205751A1

DE102019205751A1 - Elektrische Maschine mit einem Kunststoffkörper

Info

Publication number: DE102019205751A1
Application number: DE102019205751.9A
Authority: DE
Inventors: Timo WEHLEN; Eckhardt Lübke; Andreas Hölscher; Martin Jelinewski; Manfred Till
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2020-10-29
Also published as: WO2020216508A1; US20220247254A1; CN113678348A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) mit einem mehrteilig ausgebildeten Gehäuse (2), einem über einen Kunststoffkörper (3) stationär am Gehäuse (2) aufgenommenen Stator (4) und einem radial innerhalb des Stators (4) angeordneten Rotor (5), wobei der Kunststoffkörper (3) elektrisch isolierend ist und zumindest eine elektrische Leitung (17a, 17b, 17c), die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Strom zwischen einer Leistungselektronik der elektrischen Maschine (1) und dem Stator (4) zu führen, umschließt, wobei zumindest ein Kanal (8), der zur Aufnahme eines Kühlmittels vorgesehen ist, in dem Kunststoffkörper (3) ausgebildet ist, wobei ein flanschförmiger Abschnitt (3a) des Kunststoffkörpers (3) axial zwischen einem ersten Gehäusedeckel (2a) und einem Gehäusemantelabschnitt (2c) des mehrteiligen Gehäuses (2) ausgebildet ist und die mindestens eine elektrische Leitung (17a, 17b, 17c) sowie der zumindest eine Kanal (8) in dem flanschförmigen Abschnitt (3a) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem mehrteiligen Gehäuse, einem über einen Kunststoffkörper stationär am Gehäuse aufgenommenen Stator und einem radial innerhalb des Stators angeordneten Rotor, wobei zumindest ein Kanal, der zur Aufnahme eines Kühlmittels vorgesehen ist, in dem Kunststoffkörper ausgebildet ist.
Beispielsweise offenbart die DE 10 2013 201 758 A1 eine Elektromaschine mit einem Gehäuse und einem an diesem aufgenommenen Stator, einem radial innerhalb des Stators angeordneten Rotor und einer Kühleinrichtung zwischen Stator und Gehäuse. Zumindest ein Kunststoffkörper umschließt einen weichmagnetischen Kern des Stators radial außen, wobei zumindest eine ein Kühlmedium führende Vertiefung der Kühleinrichtung zumindest teilweise in der äußeren Mantelfläche des zumindest einen Kunststoffkörpers eingebracht ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine mit verbesserter Kühlung zu schaffen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst ein mehrteilig ausgebildetes Gehäuse, einen über einen Kunststoffkörper stationär am Gehäuse aufgenommenen Stator und einen radial innerhalb des Stators angeordneten Rotor, wobei der Kunststoffkörper elektrisch isolierend ist und zumindest eine elektrische Leitung, die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Strom zwischen einer Leistungselektronik der elektrischen Maschine und dem Stator zu führen, umschließt, wobei zumindest ein Kanal, der zur Aufnahme eines Kühlmittels vorgesehen ist, in dem Kunststoffkörper ausgebildet ist, wobei ein flanschförmiger Abschnitt des Kunststoffkörpers axial zwischen einem ersten Gehäusedeckel und einem Gehäusemantelabschnitt des mehrteiligen Gehäuses ausgebildet ist und die mindestens eine elektrische Leitung sowie der zumindest eine Kanal in dem flanschförmigen Abschnitt ausgebildet sind.
Mit anderen Worten dient der flanschförmiger Abschnitt des Kunststoffkörpers dazu den ersten Gehäusedeckel und den Gehäusemantelabschnitt miteinander zu verbinden und einen Bereich auszubilden, der insbesondere zur Drehmomentabstützung des Stators am Gehäuse und gleichzeitig auch zur Kühlung der mindestens einen elektrischen Leitung eingerichtet ist.
Der elektrisch isolierende Kunststoffkörper wird bevorzugt im Spritzgießverfahren oder aus einer Vergussmasse hergestellt und ist ferner dazu eingerichtet, die elektrisch leitenden Komponenten des Stators elektrisch zu isolieren, abzudichten, über eine Kühlmittelströmung in dem mindestens einen Kanal abzukühlen und den Stator derart am Gehäuse abzustützen, dass weitere Statorträger obsolet sind.
Beispielsweise ist ein einziger Kanal im Kunststoffkörper ausgebildet, der Kühlmittel führt und zumindest eine elektrische Leitung, vorzugsweise alle elektrischen Leitungen des Stators kühlt. Alternativ können mehrere Kanäle im Kunststoffkörper ausgebildet sein, die Kühlmittel führen und zumindest eine elektrische Leitung, vorzugsweise alle elektrischen Leitungen des Stators kühlen. Die mindestens eine elektrische Leitung erstreckt sich zusammen mit dem zumindest einen Kanal durch den flanschförmigen Abschnitt, wobei der zumindest einen Kanal zur Erhöhung der Kühlleistung großflächig um die mindestens eine elektrische Leitung herumgeführt ist. Insbesondere mündet die mindestens eine elektrische Leitung am flanschförmigen Abschnitt aus dem Kunststoffkörper.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Kanal zumindest abschnittsweise oder vollständig entlang aller elektrischen Leitungen, die mit dem Stator verbunden sind, geführt, um diese zu kühlen. Bevorzugt ist die mindestens eine elektrische Leitung als Kupferschiene, Kupferdraht oder Kupferflachbauteil ausgebildet. Insbesondere ist die elektrische Maschine als Dreiphasen-Drehstrommotor (UVW-Motor) ausgebildet und zur Verwendung als Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, sodass drei elektrische Leitungen zum Betrieb der elektrischen Maschine mit Wechselstrom vorgesehen sind. Unter einer Leistungselektronik ist eine Vorrichtung zu verstehen, die den Betrieb, insbesondere die Bestromung des Stators steuert und regelt. Insbesondere umfasst die Leistungselektronik einen Inverter, der dazu eingerichtet ist, Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das mehrteilig ausgebildete Gehäuse zumindest den ersten Gehäusedeckel sowie den Gehäusemantelabschnitt auf. Zusätzlich kann das mehrteilig ausgebildete Gehäuse auch einen zweiten Gehäusedeckel aufweisen. Der Gehäusemantelabschnitt ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und axial zwischen den beiden Gehäusedeckeln angeordnet. Insbesondere ist der Gehäusemantelabschnitt dazu eingerichtet, den Stator in Radialrichtung vollständig aufzunehmen. Der jeweilige Gehäusedeckel ist dazu vorgesehen, zumindest an dem Gehäusemantelabschnitt zur Anlage zu kommen, um das Gehäuse in axialer Richtung einzugrenzen.
Vorzugsweise ist der flanschförmige Abschnitt umlaufend zwischen dem ersten Gehäusedeckel und dem Gehäusemantelabschnitt axial verspannt. Mithin wirkt eine Axialkraft derart umlaufend am ersten Gehäusedeckel, am Gehäusemantelabschnitt und am flanschförmigen Abschnitt, dass diese drei Bauteile eine Pressung erfahren. Durch die Pressung bzw. axiale Verspannung werden Dichtungsflächen zwischen dem ersten Gehäusedeckel und dem flanschförmigen Abschnitt des Kunststoffkörpers sowie zwischen dem Gehäusemantelabschnitt und dem flanschförmigen Abschnitt des Kunststoffkörpers gebildet, die eine fluidische Abdichtung des mindestens einen Kanals in diesen Bereichen realisieren, sodass Kühlmittel aus dem mindestens einen Kanal nicht entweichen kann. Insbesondere kann die axiale Verspannung zwischen dem ersten Gehäusedeckel, dem Gehäusemantelabschnitt und dem flanschförmigen Abschnitt derart eingestellt werden, dass ein hydraulischer Druck des Kühlmittels berücksichtigt wird.
Bevorzugt weist der flanschförmige Abschnitt mehrere axiale Durchführungen für Schrauben auf, wobei jede Durchführung koaxial zu einer jeweiligen Bohrung im ersten Gehäusedeckel und einer jeweiligen Bohrung im Gehäusemantelabschnitt ausgebildet ist. Insbesondere ist in jeder Durchführung eine metallische Hülse angeordnet, wobei die jeweilige Bohrung im Gehäusemantelabschnitt ein Gewinde zum Einschrauben der Schrauben aufweist. Vorzugsweise sind fünf Schrauben zur formschlüssigen Verbindung des ersten Gehäusedeckels mit dem Gehäusemantelabschnitt und dem axial dazwischen angeordneten flanschförmigen Abschnitt des Kunststoffkörpers vorgesehen. Alternativ ist es auch denkbar die Durchführungen in dem flanschförmigen Abschnitt entfallen zu lassen und den flanschförmigen Abschnitt formschlüssig zwischen dem Gehäusedeckel und dem Gehäusemantelabschnitt aufzunehmen, wobei der Gehäusedeckel und der Gehäusemantelabschnitt über mehrere Schrauben miteinander verschraubt werden.
Insbesondere ist der mindestens eine Kanal als Vertiefung in einer Außenfläche des Kunststoffkörpers ausgebildet. Vorzugsweise ist der mindestens eine Kanal als Vertiefung in beiden Stirnflächen und einer Mantelfläche des Kunststoffkörpers ausgebildet. Beispielsweise sind Vertiefungen an der Stirnfläche des Kunststoffkörpers über Bohrungen oder Ausnehmungen im Kunststoffkörper fluidtechnisch mit Vertiefungen oder Kanälen im Inneren des Kunststoffkörpers verbunden. Die Ausbildung des mindestens einen Kanals an Außenflächen des Kunststoffkörpers ermöglicht die Nutzung einfacher sowie schneller Herstellungsverfahren, da die Bearbeitung des Kunststoffkörpers im Wesentlichen von außen erfolgt.
Bevorzugt ist der mindestens eine Kanal axial in einer Stirnfläche des Kunststoffkörpers ausgebildet und dazu eingerichtet, das Kühlmittel zwischen dem ersten Gehäusedeckel und dem Kunststoffkörper zu führen. Ferner bevorzugt ist der mindestens eine Kanal radial in einer Außenumfangsfläche des Kunststoffkörpers ausgebildet und dazu eingerichtet, das Kühlmittel zwischen dem ersten Gehäusedeckel und einer Gehäuseabdeckung zu führen. Insbesondere ist der stirnseitig ausgebildete Kanal über eine Ausnehmung mit dem umfangsseitig ausgebildeten Kanal fluidtechnisch verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Kanal derart im Kunststoffkörper ausgebildet, dass die mindestens eine elektrische Leitung zumindest abschnittsweise zweiseitig von dem mindestens einen Kanal umschlossen ist. Insbesondere sind drei elektrische Leitungen vorgesehen, wobei der mindestens eine Kanal zunächst an einer ersten Seite entlang der drei Leitungen geführt ist, eine Krümmung um 180° aufweist und beispielsweise parallel zum vorderen Abschnitt des Kanals an einer zweiten Seite im hinteren Abschnitt des Kanals entlang der drei Leitungen geführt ist. Mithin werden die elektrischen Leitungen beidseitig sowie großflächig gekühlt.
Vorzugsweise ragt die mindestens eine elektrische Leitung radial aus dem flanschförmigen Abschnitt heraus, wobei der Kunststoffkörper die mindestens eine elektrische Leitung in diesem Bereich zumindest teilweise umhüllt. Durch die Umhüllung der mindestens einen elektrischen Leitung im Bereich eines Austritts aus dem Kunststoffkörper, wird die mindestens eine elektrische Leitung gestützt sowie isoliert, sodass weitere Teile zur Abstützung und Isolation entfallen können, wodurch insbesondere der Montageaufwand verringert wird.
Bevorzugt ragen drei elektrische Leitung radial aus dem flanschförmigen Abschnitt heraus, wobei der Kunststoffkörper in diesem Bereich jede der drei elektrischen Leitung separat umhüllt. Mithin ist der Kunststoffkörper beim Austritt der elektrischen Leitungen aus dem flanschförmigen Abschnitt derart ausgebildet, dass jede elektrische Leitung einzeln sowie separat voneinander umhüllt ist und die Leitungen in diesem Bereich nicht miteinander verbunden sind. Dadurch kann insbesondere Gewicht eingespart werden.
Vorteilhafterweise umschließt der Kunststoffkörper ferner einen weichmagnetischen Kern des Stators sowie erste und zweite Wickelköpfe des Stators stirnseitig sowie radial außen. Mithin sind auch der weichmagnetische Kern und die ersten und zweiten Wickelköpfe des Stators stirnseitig sowie radial außen von dem Kunststoffkörper umhüllt. Insbesondere sind die Wickelköpfe vollständig im Kunststoffkörper eingebettet. Somit ist der Stator vorzugsweise bis auf eine Innenumfangsfläche vollständig mit dem Kunststoffkörper umspritzt. Der Stator ist aus dem weichmagnetischen Kern und Wicklungen ausgebildet und zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes eingerichtet. Die Wicklungen sind insbesondere aus Kupferdrähten ausgebildet und weisen endseitig zu jeder Stirnseite des Stators hin Wickelköpfe auf, nämlich die ersten Wickelköpfe an der einen Stirnseite, also an einem ersten axialen Ende des Stators, und die zweiten Wickelköpfe an der anderen Stirnseite, also an einem zweiten axialen Ende des Stators. Axial zwischen den ersten und zweiten Wickelköpfen ist der weichmagnetische Kern des Stators angeordnet.
Aufgrund der stirnseitigen sowie radial äußere Kühlung der Wickelköpfe an beiden Enden des Stators sowie der radial äußere Kühlung des weichmagnetischen Kerns wird ein hohes Maß an Abwärme über das Kühlmittel abgeführt und dadurch der Stator effizient gekühlt. Dadurch kann die Antriebsdauerleistung der elektrischen Maschine erhöht werden. Ein klassischer Statorkühlmantel wird nicht benötigt, wodurch Kosten, Gewicht und Bauraum eingespart werden können. Insbesondere erfolgt über den Kunststoffkörper eine Geräuschentkopplung zwischen Stator und Gehäuse. Insbesondere ist die elektrische Maschine dazu vorgesehen stirnseitig mit dem Getriebe verbunden zu sein. Aufgrund der Kühlung auf beiden Stirnseiten der elektrischen Maschine erfolgt auch eine Kühlung einer Getriebewand eines an einer Stirnseite der elektrischen Maschine angeordneten Getriebes.
Beispielsweise ist der mindestens eine Kanal zumindest teilweise umlaufend entlang einer Stirnseite der ersten Wickelköpfe ausgebildet, wobei ferner der mindestens eine Kanal mehrmals umlaufend entlang einer Außenumfangsfläche des Stators ausgebildet ist, und wobei der mindestens eine Kanal zumindest teilweise umlaufend entlang einer Stirnseite der zweiten Wickelköpfe ausgebildet ist. Mithin wird vorzugsweise vorgeschlagen das Kühlmittel durch den mindestens einen Kanal zumindest teilweise umlaufend entlang der Stirnseite der ersten Wickelköpfe, mehrmals umlaufend über die Außenumfangsfläche des Stators und zumindest teilweise umlaufend entlang der Stirnseite der zweiten Wickelköpfe zu führen, um den Stator der elektrischen Maschine effizient zu kühlen. Zur Erhöhung der Kühlleistung der elektrischen Maschine ist es Wesentlich die ersten und zweiten Wickelköpfe auch stirnseitig zu kühlen. Ferner verhindert eine solche Ausbildung des mindestens einen Kanals die Bildung von Totwassergebieten und ermöglicht einen effizienten Kühlmittelfluss.
Bevorzugt ist eine axiale Breite des mindestens einen Kanals an der Außenumfangsfläche des Stators zumindest dreimal so groß, wie eine radiale Tiefe des mindestens einen Kanals an der Außenumfangsfläche des Stators. Mithin ist der mindestens eine Kanal an der Außenumfangsfläche des Stators breit und flach ausgebildet. Beispielsweise ist die axiale Breite des mindestens einen Kanals an der Außenumfangsfläche des Stators fünfmal so groß, wie die radiale Tiefe des mindestens einen Kanals an der Außenumfangsfläche des Stators. Dies verbessert insbesondere die Kühlung der elektrischen Maschine.
Insbesondere ist der mindestens eine Kanal spiralförmig entlang der Außenumfangsfläche des Stators ausgebildet. Ferner ist es aber auch denkbar, den mindestens einen Kanal mäanderförmig oder bogenförmig auszubilden. Ebenso kann der mindestens einen Kanal axial sowie parallel ausgebildete Kanalabschnitte umfassen oder in zwei Halbströme aufgeteilt sein. Eine Kombination der zuvor genannten Formen sowie weiteren beliebigen Formen ist ebenso denkbar.
Vorzugsweise ist ein Zufluss für das Kühlmittel an der Stirnseite der ersten Wickelköpfe ausgebildet, wobei ein Abfluss für das Kühlmittel an der Stirnseite der zweiten Wickelköpfe ausgebildet ist. Am Zufluss hat das Kühlmittel die geringste Temperatur und somit die höchste Kühlleistung, weil es noch keine Abwärme von dem Stator aufgenommen hat. Insbesondere ist die Temperatur an den ersten Wickelköpfen im Betrieb der elektrischen Maschine höher als die Temperatur an den zweiten Wickelköpfen. Das Kühlmittel ist vorzugsweise auf Wasserbasis. Eine Zuflussanschlussgeometrie, beispielsweise eine Einlassöffnung, und eine Abflussanschlussgeometrie, beispielsweise eine Auslassöffnung, können radial oder axial ausgebildet sein, um Bauraumvorteile zu generieren. Unter einem Zufluss für das Kühlmittel sind Leitungen oder Geometrien zu verstehen, die eine Einströmen von Kühlmittel in den mindestens einen Kanal ermöglichen. Ferner sind unter einem Abfluss für das Kühlmittel Leitungen oder Geometrien zu verstehen, die eine Ausströmen von Kühlmittel aus dem mindestens einen Kanal ermöglichen.
Vorzugsweise weist der mindestens eine Kanal an den ersten Wickelköpfen ein grö-ßeres Volumen für Kühlmittel als der mindestens eine Kanal an den zweiten Wickelköpfen auf. Insbesondere sind die elektrischen Leitungen an den ersten Wickelköpfen angeordnet, sodass dort durch das größere Volumen für Kühlmittel eine höhere Kühlleistung generiert wird.
Bevorzugt weist der Kunststoffkörper wärmeleitfähige Füllstoffe auf. Insbesondere sind metallische Füllstoffe mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer- oder Aluminiumpartikel derart im Kunststoffkörper angeordnet, dass eine elektrische Isolierung des Kunststoffes erhalten bleibt. Ferner kann der Kunststoffkörper zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit auch mit Keramikpartikel, beispielsweise mit Metalloxiden versehen sein.
Im Folgenden werden drei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

1 eine schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Explosionsdarstellung eines Teils der elektrischen Maschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts der elektrischen Maschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4 eine schematische Halbschnittdarstellung der elektrischen Maschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
5 eine schematische Perspektivdarstellung eines Ausschnitts der elektrischen Maschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
6 eine schematische Stirnseitendarstellung der elektrischen Maschine gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
7 eine schematische Perspektivdarstellung der elektrischen Maschine gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, und
8 eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts der elektrischen Maschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

In 1, 2, 3 und 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 1 dargestellt. Gemäß 1 weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 ein mehrteilig ausgebildetes Gehäuse 2 auf, das aus einem ersten und einem zweiten Gehäusedeckel 2a, 2b, einem Gehäusemantelabschnitt 2c und einer Gehäuseabdeckung 2d besteht. In dem Gehäuse 2 sind ein Stator 4 und ein radial innerhalb des Stators 4 angeordneter Rotor 5 aufgenommen, wobei der Stator 4 von einem Kunststoffkörper 3 umspritzt ist (siehe 4). Der Kunststoffkörper 3 ist elektrisch isolierend und weist einen flanschförmigen Abschnitt 3a auf, der axial zwischen dem ersten Gehäusedeckel 2a und dem Gehäusemantelabschnitt 2c des mehrteiligen Gehäuses 2 angeordnet ist und drei elektrische Leitungen 17a, 17b, 17c sowie einen Kanal 8, der zur Aufnahme eines Kühlmittels und Kühlung der elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c und des Stators 4 vorgesehen ist, aufnimmt.
Die elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c sind dazu eingerichtet, einen elektrischen Strom zwischen einer, vorliegend nicht dargestellten Leistungselektronik der elektrischen Maschine 1 und dem Stator 4 zu führen. Die drei elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c ragen durch einen Schlitz in der Gehäuseabdeckung 2d radial aus der elektrischen Maschine 1 heraus. Die Gehäuseabdeckung 2d deckt einen Teil des flanschförmigen Abschnitts 3a ab, um einen Abschnitt des Kanals 8, der sich am flanschförmigen Abschnitts 3a befindet, fluidisch zu isolieren. Ein Zufluss 11 des Kühlmittels in den Kanal 8 erfolgt über eine axiale Einlassöffnung 19 an dem ersten Gehäusedeckel 2a. Ein Abfluss 12 des Kühlmittels erfolgt über eine radiale Auslassöffnung 20 im zweiten Gehäusedeckel 2b.
Der flanschförmige Abschnitt 3a ist umlaufend zwischen dem ersten Gehäusedeckel 2a und dem Gehäusemantelabschnitt 2c axial verspannt, wobei der flanschförmige Abschnitt 3a mehrere axiale Durchführungen 13 zur Aufnahme von Schrauben aufweist. Jede Durchführung 13 ist koaxial zu einer jeweiligen Bohrung 14a im ersten Gehäusedeckel 2a und einer jeweiligen Bohrung 14b im Gehäusemantelabschnitt 2c ausgebildet. Durch jede der koaxial zueinander ausgebildeten Bohrungen 14a, 14b und Durchführung 13 erstreckt sich eine, vorliegend nicht dargestellte, Schraube. Mittels der Schrauben wird die Verspannung und dadurch eine fluidische Abdichtung des Kanals 8 am flanschförmigen Abschnitt 3a realisiert. Auch der zweite Gehäusedeckel 2b ist mit dem Gehäusemantelabschnitt 2c verschraubt.
2 zeigt den ersten Gehäusedeckel 2a, die Gehäuseabdeckung 2d und den Kunststoffkörper 3, in welchem der Stator 4 und die elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c eingebettet sind, in einer Explosionsdarstellung. Aus 2 ist ersichtlich, dass der Kanal 8 spiralförmig an einer Außenumfangsfläche des Kunststoffkörpers 3 ausgebildet ist, wobei das Kühlmittel zwischen dem Gehäusemantelabschnitt 2c und dem Kunststoffkörper 3 geführt wird (siehe 4).
3 zeigt eine Detaildarstellung im Bereich der elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c, die aus dem flanschförmigen Abschnitt 3a des Kunststoffkörpers 3 radial herausragen, wobei der Kunststoffkörper 3 die elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c in diesem Bereich teilweise umhüllt. Mehrere Pfeile P sind eingezeichnet, um den Kühlmittelfluss vereinfacht dazustellen. Wie bereits zu 1 erläutert, strömt das Kühlmittel über die Einlassöffnung 19 im ersten Gehäusedeckel 2a in den Kanal 8 am Kunststoffkörper 3 ein, wobei der Kanal 8 radial in einer Außenumfangsfläche am flanschförmigen Abschnitt 3a des Kunststoffkörpers 3 ausgebildet und dazu eingerichtet ist, das Kühlmittel zwischen dem Kunststoffkörpers 3 und der Gehäuseabdeckung 2d (vorliegend nicht dargestellt) zu führen. Der Kanal 8 ist derart im Kunststoffkörper 3 ausgebildet, dass die elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c am flanschförmigen Abschnitt 3a zweiseitig von dem Kanal 8 umschlossen sind, und somit beidseitig sowie großflächig gekühlt werden. Dazu strömt das Kühlmittel zunächst entlang einer Vorderseite der elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c, wird dann um 180° umgeleitet und strömt entlang einer Rückseite der elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c. Danach wird das Kühlmittel durch den Kanal 8 weiter zu umlaufend entlang einer Stirnseite 9a von ersten Wickelköpfen 7a des Stators 4 geführt und danach über den spiralförmigen Abschnitt des Kanals 8 entlang der Außenumfangsfläche 10 des Stators 4 hin zu einer Stirnseite 9b von zweiten Wickelköpfen 7b des Stators 4 (siehe 4).
Gemäß 4 ist die elektrische Maschine 1 in einem Halbschnitt dargestellt. Im Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 sind der Stator 4, der radial innerhalb des Stators 4 angeordnete sowie um eine Drehachse A drehbare Rotor 5 und der elektrisch isolierende Kunststoffkörper 3 angeordnet, wobei der Stator 4 über den Kunststoffkörper 3 stationär am Gehäuse 2 aufgenommenen ist. Denn der Stator 4 ist mit dem Kunststoffkörper 3 umspritzt und der Kunststoffkörper 3 ist über den flanschförmigen Abschnitt 3a zwischen dem ersten Gehäusedeckel 2a und dem Gehäusemantelabschnitt 2c verspannt und somit stationär festgelegt. Der Kanal 8, der zur Aufnahme des Kühlmittels vorgesehen ist, ist in dem Kunststoffkörper 3 ausgebildet, um beim Durchströmen mit dem Kühlmittel, den Stator 4 zu kühlen. Zur Erhöhung seiner Wärmeleitfähigkeit weist der Kunststoffkörper 3 wärmeleitfähige Füllstoffe auf. Der Kunststoffkörper 3 umschließt einen weichmagnetischen Kern 6 des Stators 4 stirnseitig sowie radial außen. Ferner umschließt der Kunststoffkörper 3 auch erste und zweite Wickelköpfe 7a, 7b des Stators 4 stirnseitig sowie radial. Vorliegend ist der Kunststoffkörper 3 einteilig aus einem Spritzguss ausgebildet. Durch den Kunststoffkörper 3 werden die elektrischen Teile des Stators 4 isoliert und gleichzeitig über den darin ausgebildeten Kanal 8 und das darin geführte, sowie hier nicht dargestellte Kühlmittel gekühlt. Der Kanal 8 weist an den ersten Wickelköpfen 7a ein größeres Volumen für Kühlmittel als der Kanal 8 an den zweiten Wickelköpfen 7b auf. Eine axiale Breite des Kanals 8 an der Außenumfangsfläche 10 des Stators 4 ist circa sechsmal so groß, wie eine radiale Tiefe des Kanals 8 an der Außenumfangsfläche 10 des Stators 4. Der Kanal 8 ist als Vertiefung in der Außenfläche des Kunststoffkörpers 3 ausgebildet und dazu eingerichtet, das Kühlmittel zwischen dem Gehäuse 2 und dem Kunststoffkörper 3 zu führen.
In 5, 6 und 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 1 dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Ausbildung des Kanals 8 im Kunststoffkörper 3 und somit durch den Kühlmittelfluss. Mehrere Pfeile P sind eingezeichnet, um den Kühlmittelfluss vereinfacht dazustellen. Das Kühlmittel strömt über eine Einlassöffnung 19 im ersten Gehäusedeckel 2a in den Kanal 8 am Kunststoffkörper 3 ein, wobei der Kanal 8 axial in einer Stirnfläche des Kunststoffkörpers 3 ausgebildet und dazu eingerichtet ist, das Kühlmittel zwischen dem ersten Gehäusedeckel 2a und dem Kunststoffkörper 3 umlaufend zu führen, um zunächst erste Wickelköpfe 7a des Stators 4 zu kühlen, wobei die Wickelköpfe 7a identisch zu den Wickelköpfen 7a gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind. Danach strömt das Kühlmittel in einem weiteren Abschnitt des Kanals 8 und wird entlang der elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c geführt, um diese zu kühlen. Mithin ist der Kanal 8 derart im Kunststoffkörper 3 ausgebildet, dass die elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c am flanschförmigen Abschnitt 3a einseitig an dem Kanal 8 angeordnet sind, und somit einseitig gekühlt werden. Danach wird das Kühlmittel über den spiralförmigen Abschnitt des Kanals 8 entlang der Außenumfangsfläche 10 des Stators 4 geführt (siehe 7).
Der flanschförmige Abschnitt 3a ist umlaufend zwischen dem ersten Gehäusedeckel 2a und dem Gehäusemantelabschnitt 2c axial verspannt sowie formschlüssig damit verbunden. Zur axialen Verspannung sind Bohrungen 14a im ersten Gehäusedeckel 2a und Bohrungen 14b im Gehäusemantelabschnitt 2c ausgebildet, wobei sich durch jede dieser Bohrungen 14a, 14b, vorliegend nicht dargestellte, Schrauben erstrecken. Die Verspannung ermöglicht eine fluidische Abdichtung des Kanals 8 am flanschförmigen Abschnitt 3a.
In 7 ist die elektrische Maschine 1 perspektivisch dargestellt, wobei der Gehäusemantelabschnitt 2c transparent dargestellt ist. Wie bereits erwähnt, ist der Zufluss 11 für das Kühlmittel an der Stirnseite 9a der ersten Wickelköpfe 7a ausgebildet, wobei das Kühlmittel über eine axial im ersten Gehäusedeckel 2a ausgebildete Einlassöffnung 19 einströmt. Ein Abfluss 12 für das Kühlmittel ist an der Stirnseite 9b der zweiten Wickelköpfe 7b ausgebildet, wobei das Kühlmittel über eine radial im zweiten Gehäusedeckel 2b ausgebildete Auslassöffnung 20 ausströmt. Der zwischen dem Gehäuse 2 und dem Kunststoffkörper 3 ausgebildete Kanal 8 dient zur Zwangsführung des Kühlmittels von der Einlassöffnung 19 bis zur Auslassöffnung 20.
Die Pfeile P veranschaulichen, dass das Kühlmittel über die Einlassöffnung 19 in den Kanal 8 einströmt und im Kreis umlaufend entlang der Stirnseite 9a der ersten Wickelköpfe 7a geführt wird. Danach strömt das Kühlmittel entlang der elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c, um auch diese zu kühlen. Weiter strömt das Kühlmittel durch einen spiralförmig ausgebildeten Abschnitt des Kanals 8 viermal umlaufend entlang einer Außenumfangsfläche 10 des Stators 4. Abschließend strömt das Kühlmittel durch den Kanal 8 im Kreis umlaufend entlang der Stirnseite 9b der zweiten Wickelköpfe 7b und über die Auslassöffnung 20 aus dem Kanal 8 wieder heraus. Im Bereich des Zuflusses 11 an den ersten Wickelköpfen 7a ist die Temperatur des Kühlmittels minimal, wobei die Temperatur während des Durchströmens des Kanals 8 stetig ansteigt und ihren maximalen Wert im Bereich des Abflusses 12 an den zweiten Wickelköpfen 7b erreicht. Mithin werden die ersten Wickelköpfe 7a und die drei elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c stärker gekühlt als die zweiten Wickelköpfe 7b. Vorliegend sind die Wickelköpfe 7a, 7b mit dem Kunststoffkörper 3 umspritzt und somit nicht dargestellt, jedoch identisch zu den Wickelköpfen 7a, 7b gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 1, wobei vorliegend ein Ausschnitt des flanschförmigen Abschnitts 3a, und zwar im Bereich der elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c dargestellt ist. Die elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c ragen radial aus dem flanschförmigen Abschnitt 3a heraus und der Kunststoffkörper 3 umhüllt jede der drei elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c separat in diesem Bereich. Die elektrischen Leitungen 17a, 17b, 17c weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei der Kunststoffkörper 3 in diesem Bereich einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Maschine
2: Gehäuse
2a: erster Gehäusedeckel
2b: zweiter Gehäusedeckel
2c: Gehäusemantelabschnitt
3: Kunststoffkörper
3a: flanschförmiger Abschnitt des Kunststoffkörpers
4: Stator
5: Rotor
6: weichmagnetischen Kern
7a: erste Wickelköpfe
7b: zweite Wickelköpfe
8: Kanal
9a: Stirnseite der ersten Wickelköpfe
9b: Stirnseite der zweiten Wickelköpfe
10: Außenumfangsfläche
11: Zufluss
12: Abfluss
13: axiale Durchführung
14a: Bohrung
14b: Bohrung
17a: elektrische Leitung
17b: elektrische Leitung
17c: elektrische Leitung
19: Einlassöffnung
20: Auslassöffnung
A: Drehachse
P: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013201758 A1 [0002]

Claims

Elektrische Maschine (1) mit einem mehrteilig ausgebildeten Gehäuse (2), einem über einen Kunststoffkörper (3) stationär am Gehäuse (2) aufgenommenen Stator (4) und einem radial innerhalb des Stators (4) angeordneten Rotor (5), wobei der Kunststoffkörper (3) elektrisch isolierend ist und zumindest eine elektrische Leitung (17a, 17b, 17c), die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Strom zwischen einer Leistungselektronik der elektrischen Maschine (1) und dem Stator (4) zu führen, umschließt, wobei zumindest ein Kanal (8), der zur Aufnahme eines Kühlmittels vorgesehen ist, in dem Kunststoffkörper (3) ausgebildet ist, wobei ein flanschförmiger Abschnitt (3a) des Kunststoffkörpers (3) axial zwischen einem ersten Gehäusedeckel (2a) und einem Gehäusemantelabschnitt (2c) des mehrteiligen Gehäuses (2) ausgebildet ist und die mindestens eine elektrische Leitung (17a, 17b, 17c) sowie der zumindest eine Kanal (8) in dem flanschförmigen Abschnitt (3a) ausgebildet sind.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flanschförmige Abschnitt (3a) umlaufend zwischen dem ersten Gehäusedeckel (2a) und dem Gehäusemantelabschnitt (2c) axial verspannt ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der flanschförmige Abschnitt (3a) mehrere axiale Durchführungen (13) für Schrauben aufweist, wobei jede Durchführung (13) koaxial zu einer jeweiligen Bohrung (14a) im ersten Gehäusedeckel (2a) und einer jeweiligen Bohrung (14b) im Gehäusemantelabschnitt (2c) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (8) als Vertiefung in einer Außenfläche des Kunststoffkörpers (3) ausgebildet.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (8) axial in einer Stirnfläche des Kunststoffkörpers (3) ausgebildet und dazu eingerichtet ist, das Kühlmittel zwischen dem ersten Gehäusedeckel (2a) und dem Kunststoffkörper (3) zu führen.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (8) radial in einer Außenumfangsfläche des Kunststoffkörpers (3) ausgebildet und dazu eingerichtet ist, das Kühlmittel zwischen dem Kunststoffkörpers (3) und einer Gehäuseabdeckung (2d) zu führen.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (8) derart im Kunststoffkörper (3) ausgebildet ist, dass die mindestens eine elektrische Leitung (17a, 17b, 17c) zumindest abschnittsweise zweiseitig von dem mindestens einen Kanal (8) umschlossen ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrische Leitung (17a, 17b, 17c) radial aus dem flanschförmigen Abschnitt (3a) herausragt, wobei der Kunststoffkörper (3) die mindestens eine elektrische Leitung (17a, 17b, 17c) in diesem Bereich zumindest teilweise umhüllt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass drei elektrische Leitung (17a, 17b, 17c) radial aus dem flanschförmigen Abschnitt (3a) herausragen, wobei der Kunststoffkörper (3) in diesem Bereich jede der drei elektrischen Leitung (17a, 17b, 17c) separat umhüllt.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper (3) ferner einen weichmagnetischen Kern (6) des Stators (4) sowie erste und zweite Wickelköpfe (7a, 7b) des Stators (4) stirnseitig sowie radial außen umschließt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (8) zumindest teilweise umlaufend entlang einer Stirnseite (9a) der ersten Wickelköpfe (7a) ausgebildet ist, wobei ferner der mindestens eine Kanal (8) mehrmals umlaufend entlang einer Außenumfangsfläche (10) des Stators (4) ausgebildet ist, und wobei der mindestens eine Kanal (8) zumindest teilweise umlaufend entlang einer Stirnseite (9b) der zweiten Wickelköpfe (7b) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Breite des mindestens einen Kanals (8) an der Außenumfangsfläche (10) des Stators (4) zumindest dreimal so groß ist, wie eine radiale Tiefe des mindestens einen Kanals (8) an der Außenumfangsfläche (10) des Stators (4).
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (8) spiralförmig entlang der Außenumfangsfläche (10) des Stators (4) ausgebildet und dazu eingerichtet ist, das Kühlmittel zwischen dem Gehäusemantelabschnitt (2c) und dem Kunststoffkörper (3) zu führen.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zufluss (11) für das Kühlmittel an der Stirnseite (9a) der ersten Wickelköpfe (7a) ausgebildet ist, wobei ein Abfluss (12) für das Kühlmittel an der Stirnseite (9b) der zweiten Wickelköpfe (7b) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper (3) wärmeleitfähige Füllstoffe aufweist.