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Die Erfindung betrifft einen Nutenkeil zum Verschließen einer Nut. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug hierzu.
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Ein Antriebssystem in einem Elektro- oder Hybridfahrzeugen umfasst eine elektrische Maschine, die beispielsweise aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte als eine Synchronmaschine realisiert sein kann. Hierbei kann ein Blechpaket des Stators und/oder des Rotors mehrere an einem Umfang angeordnete Nuten zur Aufnahme elektrischer Leiter aufweisen, die zwischen jeweiligen Zähnen des Stators und/oder des Rotors angeordnet sein und mittels Nutenkeilen verschlossen werden können. Da eine Verlustwärme der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotors, ohne zusätzliche Maßnahmen nur schlecht abgeführt werden kann, ist aus thermischen Gründen eine zusätzliche Kühlung von Vorteil.
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Hierzu offenbart die
CH 652 254 A5 einen Nutenkeil für elektrodynamische Maschinen, wobei ein Stator der elektrodynamischen Maschine Schlitze oder Nuten umfasst, die Spulenleiterwicklungen oder zusätzlich Kühlleitungen enthalten können. Der Nutenkeil weist einen gewickelten Glasfaserkern auf, wobei insbesondere Hohlräume eine Kernfestigkeit beeinträchtigen können.
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Nachteilig ist, dass der Stators die Kühlleitungen umfasst und deren Anordnung vor einer Fertigung bekannt sein muss, wobei eine nachträgliche Anpassung der Kühlkanäle hinsichtlich ihrer Geometrie erschwert ist.
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Die
US 2018/0205298 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, wobei einzelne Komponenten additiv gefertigt werden und laminierte Schichten aufweisen. Der Kern eines Rotors und/oder eines Stators kann mehre Schlitze umfassen, wobei ein Schlitzversatz und/oder ein Schlitzkeil als Teil eines Blechpakets des Kerns gedruckt wird. Zum Abführen von Wärme eines Rotors können Kühlkanäle in einem Rotorkern integriert sein.
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Nachteilig ist, dass die Kühlkanäle in den Rotorkern integriert sind und vergleichbare Einschränkungen wie in den Stator integrierte Kühlleitungen aufweisen können.
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Um den Rotor eines Turbogenerators mittels eines Kühlgases zu kühlen, offenbart die
DE 31 11 635 A1 einen gasgekühlten Rotor, wobei ein in jeder Rotornut liegendes Leiterbündel mittels Kühlgas gekühlt werden kann, das von einem Luftspalt her aufgenommenen und an diesem wieder abgegeben werde kann. Jede Rotornut umfasst tangential verlaufende Kühlkanäle, die mit einer Einlaufkammer auf einer Seite des Leiterbündels und mit einer Auslaufkammer auf einer anderen Seite verbunden sind. Jeder Nutkeil umfasst in einer Nutkeilanordnung mehrere in axialer Richtung angeordnete Ein- und Auslaufkanäle, wobei die Einlaufkanäle in die jeweilige Einlaufkammer einmünden und die Auslaufkammer in die Auslaufkanäle einmündet.
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Nachteilig ist, dass die Leiterbündel bei einer seitlichen Verschiebung, beispielsweise bei einer defekten Fixierung, die jeweiligen Kammern verschließen und für einen Kühlluftstrom unzugänglich machen können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Nutenkeil zum effizienten Betreiben elektrischen Maschinen weiterzuentwickeln.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Nutenkeil zum Verschließen einer Nut einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Erfindungsgemäß umfasst der Nutenkeil einen axialen Kühlkanal zum Führen eines wärmabführenden Kühlmittels, wobei eine Mantelfläche des Kühlkanals in einem senkrecht zu einer axialen Erstreckung gebildeten Querschnitt allseitig geschlossen in den Nutenkeil integriert ist. Mit anderen Worten bildet der Kühlkanal ein Rohr.
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Bei dem Nutenkeil handelt es sich um ein Verschlusselement zum Verschließen der als eine radiale Aufnahme ausgebildeten Nut, die dazu ausgebildet ist, als Wicklungen ausgebildete elektrische Leitungen aufzunehmen. Die Nut kann Teil eines Stator und/oder eines Rotors der elektrischen Maschine sein, wobei die Nut umfänglich an zwei Seiten von einem jeweiligen Zahn des Stators und/oder des Rotors eingefasst sein kann. Beispielsweise kann der Nutenkeil als ein Schwalbenschwanzkeil oder ein Hammerkopfkeil ausgebildet sein, der die korrespondierende Nut verschließt. Die von der Nut je nach geometrischer Ausbildung aufzunehmenden elektrischen Leitungen können beispielswiese als Rundstäbe, als Birnenstäbe, als Hochstäbe und/oder als Keilstäbe ausgebildet sein, wobei aneinander grenzende Nuten voneinander gleich oder voneinander unterschiedliche Stabformen aufnehmen können. Der Nutenkeil weist eine Nutkeiloberseite und eine gegenüberliegende Nutkeilunterseite auf, wobei bei einer betriebsgemäßen Anordnung des Nutenkeils in der Nut, die Nutkeiloberseite beim Verschließen der Nut den Nutenkeil nach außen begrenzt und die in der Nut angeordnete Nutkeilunterseite die elektrischen Leitungen innerhalb der Nut befestigt. Insbesondere können die beiden Nutkeilseiten parallel zueinander angeordnet sein.
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Des Weiteren weist der Nutenkeil einen axialen Schichtaufbau mit mehreren Schichten auf, wobei eine erste der Schichten zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt und eine an die erste der Schichten angeordnete zweite der Schichten einen nicht-ferromagnetischen und elektrisch isolierenden Abschnitt umfasst. Mit anderen Worten weist der Nutenkeil bei einer betriebsgemäßen Anordnung an der Nut entlang einer axialen Richtung eine definierte Anordnung mehrerer Lagen auf, wobei jeweilige Lagen voneinander abweichende Materialeigenschaften, das heißt Werkstoffeigenschaften hinsichtlich einer Magnetisierung und/oder elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Dabei umfasst eine erste der Lagen, das heißt die erste Schichten, einen ferromagnetischen Bereich, der dazu eingerichtet sein kann, ein dauerhaftes Magnetfeld zu erzeugen und/oder zu leiten. Des Weitere kann mittels des ferromagnetischen Abschnitts die Nut magnetisch geschlossen und ein Rastmoment, das heißt eine Drehmomentwelligkeit, der elektrischen Maschine reduziert werden. Der ferromagnetische Abschnitt kann aus einem Reinmetall, beispielsweise aus Eisen, Nickel oder Kobalt, und/oder als eine ferromagnetische Legierung, beispielsweise Aluminium-Nickel-Kobalt, Samarium-Kobalt oder Neodym-Eisen-Bor, realisiert sein. Eine in axialer Richtung davor und/oder danach angeordnete zweite der Lagen, das heißt die zweite der Schichten, weist einen Bereich auf, der nicht-ferromagnetisch, beispielsweise diamagnetisch oder paramagnetisch, und elektrisch isolierend, das heißt elektrisch nichtleitend ausgebildet ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um Keramik oder Polymere, wie ein Kunstharz, handeln.
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Erfindungsgemäß wird mittels des in dem Kühlkanal fließenden Kühlmittels, wobei der Kühlkanal im Nutenkeil in axialer Richtung integriert ist, Wärme abtransportiert und ein Teil eines Kühlsystems der elektrischen Maschine realisiert. Dabei kann das Kühlmittel, beispielsweise ein Kühlgas und/oder eine Kühlflüssigkeit (ein Öl oder eine Wasser-Glykol-Mischung), durch den Kühlkanal geleitet werden. Beim Kühlkanal handelt es sich um ein rundum mittels der Mantelfläche begrenztes, das heißt umhülltes Hohlvolumen, durch welches das Kühlmittel fließen und/oder strömen kann. Somit kann die Mantelfläche des Kühlkanals in dem senkrecht zu der axialen Erstreckung gebildeten Querschnitt allseitig geschlossen sein. Der Kühlkanal ist ein Teil des Nutenkeils und in diesen integriert, wobei der Kühlkanal in axialer Richtung den gesamten Schichtaufbau, das heißt jede der mehreren Schichten, durchstößt. Beispielsweise kann eine Längserstreckungsrichtung, das heißt die axiale Erstreckung des Kühlkanals parallel zu dem Schichtaufbau in axialer Richtung insbesondere achssymmetrisch angeordnet sein.
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Durch den im Nutenkeil integrierten Kühlkanal ergibt sich der Vorteil, dass besonders effizient Wärme von dem Rotor und/oder dem Stator, insbesondere den daran angeordneten elektrischen Leitungen, abgeleitet werden kann. Dabei kann aufgrund der Anordnung des Kühlkanals innerhalb des Nutenkeils ein thermischer Widerstand zwischen einer Wärmequelle, das heißt den elektrischen Leitungen, und einem Wärmetauscher verringert werden, da ein Einfluss einer thermische Leitfähigkeit des Rotors und/oder des Stators reduziert beziehungsweise begrenzt werden kann. Somit kann eine Leistungsdichte, das heißt ein Wirkungsgrad, der elektrischen Maschine erhöht und wärmebedingte Verluste der elektrischen Maschine können verringert werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere von den in der Nut angeordneten elektrischen Leitungen wärmebedingte Verluste, insbesondere Kupferverluste und/oder Ohm'sche Verluste, der elektrischen Maschine resultieren können, die direkt von einem Widerstand der elektrischen Leitungen, welcher von deren Dicke und/oder deren Werkstoff vorgegeben ist, und/oder einem die elektrischen Leitungen durchfließenden Strom abhängig ist. Aufgrund des mittels des erfindungsgemäßen Nutenkeils in einem Nahbereich der elektrischen Leitungen angeordneten Kühlkanals kann deren Wärme effizient diesen abgeführt werden.
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Die Erfindung umfasst auch Ausbildungsformen, die sich zusätzliche Vorteile geben.
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Eine Ausbildungsform sieht vor, dass der Kühlkanal flüssigkeitsdicht zum Leiten von dem als Kühlflüssigkeit ausgebildeten Kühlmittel ausgebildet ist. Mit anderen Worten wird ein Ausströmen des flüssigen Kühlmittels aus dem Kühlkanal verhindert, wobei die durch den Nutenkeil geleitete Kühlflüssigkeit mittels des Kühlkanals umfänglich entlang der radialen Richtung begrenzt wird. Beispielsweise kann die den Kühlkanal nach außen begrenzende Mantelfläche eine flüssigkeitsabweisende, das heißt hydrophobe und/oder oleophobe Beschichtung, zum Beispiel eine Fluorcarbonbeschichtung, aufweisen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Verlust des Kühlmittels aus einem Kühlkreislauf verhindert werden kann, wodurch auf ein Wiederauffüllen des Kühlmittels verzichtet und eine Wechselwirkung mit Komponenten der elektrischen Maschine ausgeschlossen werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die erste der Schichten zusätzlich zumindest einen nicht-ferromagnetischen und elektrisch isolierenden Teilabschnitt aufweist. Somit umfasst die erste der Schichten einen ferromagnetischen Abschnitt und den zumindest einen nicht-ferromagnetischen und elektrisch isolierenden Teilabschnitt. Beispielsweise kann der zumindest eine nicht-ferromagnetische und elektrisch isolierende Teilabschnitt eine vergleichbare oder ähnliche Zusammensetzung wie der nicht-ferromagnetische und elektrisch isolierende Abschnitt der zweiten der Schichten aufweisen. Insbesondere grenzt der nicht-ferromagnetische und elektrisch isolierende Teilabschnitt unmittelbar an den ferromagnetischen Abschnitt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Ausbildung von Wirbelströmen verringert und vom ferromagnetischen Abschnitt der ersten der Schichten bedingte Eisenverluste des Nutenkeils reduziert werden können.
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Eine weitere Ausführungsform hierzu sieht vor, dass der zumindest eine nicht-ferromagnetische und elektrisch isolierende Teilabschnitt als ein unterer Teilabschnitt an der Nutenkeilunterseite angeordnet ist, wobei der untere Teilabschnitt von einem der Nutenkeilunterseite gegenüberliegenden Bereich der Mantelfläche des Kühlkanals und von dem zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt begrenzt ist. Mit anderen Worten umfasst der zumindest eine nicht-ferromagnetische und elektrisch isolierende Abschnitt den unteren Teilabschnitt, wobei der Teilabschnitt an der Nutenkeilunterseite positioniert ist. Der untere Teilabschnitt wird des Weiteren von der Mantelfläche des Kühlkanals, insbesondere von dem der Nutenkeilunterseite gegenüberliegenden Bereich der Mantelfläche des Kühlkanals, und dem zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt zumindest teilweise beschränkt. Somit grenzt der untere Teilabschnitt an die Nutenkeilunterseite, an den gegenüberliegenden Bereich der Mantelfläche des Kühlkanals und an den zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt. Beispielsweise kann der untere Teilabschnitt an zwei einander gegenüberliegenden Seiten von zwei voneinander unterschiedlichen ferromagnetischen Abschnitten begrenzt sein. Alternativ oder zusätzlich kann bei einer Verwendung des Nutenkeils in dem Rotor einer Asynchronmaschine lediglich einer der zumindest einen ferromagnetischen Abschnitte vorhanden sein, sodass der untere Teilabschnitt lediglich von dem einem der Abschnitte an den zwei einander gegenüberliegenden Seiten begrenzt ist. Beispielsweise kann der untere Teilabschnitt den Nutenkeil in Richtung der in der Nut angeordneten elektrischen Leitungen begrenzen und kann insbesondere direkt, das heißt unmittelbar an diesen angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf eine zusätzliche Isolierschicht zwischen dem Nutenkeil und den elektrischen Leitungen verzichtet werden kann und dadurch ein von der Nut bereitgestelltes Hohlvolumen zum Anordnen der elektrischen Leitungen in dem Rotor und/oder in dem Stator effizient genutzt werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der zumindest eine nicht-ferromagnetische und elektrisch isolierende Abschnitt als ein oberer Teilabschnitt an der Nutenkeiloberseite angeordnet ist, welcher von einem der Nutenkeiloberseite gegenüberliegenden Bereich der Mantelfläche des Kühlkanals und von dem zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt begrenzt ist. Mit anderen Worten umfasst der zumindest eine nicht-ferromagnetische und elektrisch isolierende Abschnitt den oberen Teilabschnitt, wobei der Teilabschnitt an der Nutenkeiloberseite positioniert ist. Beispielsweise kann der an der Nutenkeiloberseite angeordnete obere Teilabschnitt beim Verschließen der Nut den Nutenkeil nach außen begrenzen. Der obere Teilabschnitt wird des Weiteren von der Mantelfläche des Kühlkanals, insbesondere von dem der Nutenkeiloberseite gegenüberliegenden Bereich der Mantelfläche des Kühlkanals, und dem zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt zumindest teilweise beschränkt. Somit grenzt der obere Teilabschnitt unmittelbar an die Nutenkeiloberseite, an den gegenüberliegenden Bereich der Mantelfläche des Kühlkanals und an den zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt. Beispielsweise kann der obere Teilabschnitt an zwei einander gegenüberliegenden Seiten von zwei voneinander unterschiedlichen ferromagnetischen Abschnitten begrenzt sein und als Festkörper ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der obere Teilabschnitt des Nutenkeils eine Aussparung des Nutenkeils sein, sodass ein insbesondere mit Luft gefüllter Spalt bereitgestellt ist, der an zwei einander gegenüberliegenden Seiten von den zwei voneinander unterschiedlichen ferromagnetischen Abschnitten und der Mantelfläche des Kühlkanals begrenzt sein kann. Insbesondere kann der Nutenkeil mit dem als Festkörper und/oder Spalt realisierten oberen Teilabschnitt der ersten der Schichten im Stator verbaut sein. Durch den oberen Teilabschnitt ergibt sich der Vorteil, dass der Magnetfluss besonders vorteilhaft gelenkt werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform im Zusammenhang mit dem nicht-ferromagnetischen und elektrisch isolierenden Teilabschnitt der ersten der Schichten sieht vor, dass dieser und der nicht-ferromagnetische und elektrisch isolierenden Abschnitt der zweiten der Schichten ein Bauteil desselben Materials bilden. Mit anderen Worten sind der nicht-ferromagnetische und elektrisch isolierende Teilabschnitt der ersten der Schichten und der nicht-ferromagnetische und elektrisch isolierende Abschnitt der zweiten der Schichten in ihrer Werkstoffzusammensetzung einander gleich, sodass sie beispielsweise idente physikalischen, thermischen, fertigungstechnischen und/oder insbesondere magnetischen Eigenschaften aufweisen können. Dabei ist des Weiteren vorgesehen, dass das Bauteil den zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt der ersten der Schichten zumindest teilweise umschließt. Dabei kann der zumindest eine ferromagnetische Abschnitt der ersten der Schichten zumindest teilweise von dem Bauteil eingefasst werden. Beispielsweise wird der Nutenkeil in axialer Richtung im Bereich der Nutenkeilunterseite und/oder der Nutenkeiloberseite von dem Bauteil durchgängig als eine Art Käfig gestützt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass insbesondere eine Bruchfestigkeit gegen dynamische und/oder statische Belastung aufgrund einer derartigen Konstruktion erhöht werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der zum Verschließen der Nut angeordnete Nutenkeil eine radiale Symmetrieachse aufweist, sodass der in einer vorgesehenen Gebrauchslage positionierte Nutenkeil entlang einer in radialer Richtung verlaufenden Achse gespiegelt werden kann. Dabei weist ein Querschnitt der Schichten zumindest drei achssymmetrische Flächenabschnitte auf. Das bedeutet, dass eine axiale Querschnittfläche des Nutenkeils, die die jeweiligen Abschnitte und den axialen Kühlkanal umfasst, drei aneinander angeordneten Flächenabschnitte umfasst, die entlang der in radialer Richtung verlaufenden Achsen gespiegelt werden können. Dabei sind zwei aneinander angeordnete der Flächenabschnitte als eine Trapezfläche und ein daran angeordneter dritter der Flächenabschnitte als eine Trapezfläche oder eine Rechtecksfläche ausgebildet. Somit schließt an dem zwischen zwei der Flächenabschnitte angeordneten und als Trapezfläche ausgebildeten der Flächenabschnitte zumindest ein als Trapezfläche ausgebildeter der Flächenabschnitte an, wobei jede der Trapezflächen eine längere und eine kürzere Grundseite umfasst. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Nutenkeil besonders stabil und einfach gefertigt werden kann. Beispielsweise kann die Nutenunterseite eine längeren der Grundseiten einer ersten der Trapezflächen umfassen, wobei eine kürzere der Grundseiten der ersten der Trapezflächen und eine längerer von der Grundseiten einer zweiten der Trapezflächen sein kann. Eine kürzere der Grundseiten der zweiten der Trapezflächen kann eine der Grundseiten der dritten der Trapezflächen oder eine Seite der Rechtecksfläche bilden, wobei eine gegenüberliegende der Grundseiten der dritten der Trapezflächen oder eine gegenüberliegende Seite der Rechtecksfläche die Nutenoberseite bilden kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass ein axialer Schichtaufbau des Nutenkeils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens realisiert ist. Das bedeutet, dass der Nutenkeil schichtweise generativ gefertigt und jene den Nutenkeil bildenden Materialien mittels 3D-Druck Schicht für Schicht aufgetragen werden. Beispielsweise kann der 3D-Druck mittels einer Schichtlaminierung, wie einem Laminated Object Manufacturing (LOM), erfolgen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass aufgrund der laminierten Schichten Wirbelströme verringert und Eisenverluste im Nutenkeil reduziert werden können, sodass der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessert werden kann.
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Durch die Erfindung ist eine elektrische Maschine mit zumindest einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nutenkeil bereitgestellt, wobei der Nutenkeil dazu eingerichtet ist, zumindest eine Nut zu verschließen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Nutenkeils beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine hier nicht noch einmal beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine umfasst. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als ein Kraftwagen, insbesondere als ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen, oder als ein Personenbus oder als ein Motorrad ausgestaltet.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sowie des erfindungsmäßen Nutenkeils beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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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 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Nutenkeils in einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Perspektivdarstellung eines Schichtaufbaus des erfindungsgemäßen Nutenkeils in der ersten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer ersten Schicht des erfindungsgemäßen Nutenkeils;
- 4 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer ersten Schicht des erfindungsgemäßen Nutenkeils; und
- 5 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer zweiten Schicht des erfindungsgemäßen Nutenkeils.
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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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Dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann folgende Situation beispielhaft zugrunde liegen. In einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug 10 ist eine elektrische Maschine 12 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet, die einen Stator 14 und einen nicht gezeigten Rotor umfasst. Der Stator 14 weist umfänglich in Richtung des nicht gezeigten Rotors zumindest eine Nut 16 auf, die zur radialen Aufnahme für als Wicklungen ausgebildete elektrischen Leitungen 18 realisiert ist und mittels eines Nutenkeils 20 verschlossen wird. Der erfindungsgemäße Nutenkeil 20 stellt eine Nutenkeiloberseite 22 und eine Nutenkeilunterseite 24 bereit, wobei die Nutenkeiloberseite 22 bei einer gebrauchsweisen Anordnung des Nutenkeils 20 in der Nut 16 den Nutenkeil 20 nach außen begrenzt und der in der Nut 16 angeordneten Nutenkeilunterseite 24 gegenüberliegt. Des Weitern umfasst der Nutenkeil 20 einen axialen Kühlkanal 26, wobei eine Mantelfläche 28 des Kühlkanals 26 in einem senkrecht zu einer axialen Erstreckung 29 gebildeten Querschnitt 31 allseitig geschlossen allseitig geschlossen in den Nutenkeil 20 integriert ist. Zum Abführen von Wärme wird ein Kühlmittel in den Kühlkanal 26 geleitet, das heißt geführt werden, wobei das Kühlmittel als eine Kühlflüssigkeit ausgebildet und der Kühlkanal 26 flüssigkeitsdicht realisiert sein kann.
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2 zeigt perspektivisch die in 1 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nutenkeils 20 und dessen mehrere Schichten 32a, 32b umfassenden axialen Schichtaufbau 30. Der Übersicht halber sind lediglich vier der Schichten 32a, 32b in einem sich wiederholenden Schichtwechsel des Schichtaufbaus 30 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Dabei kann eine erste Schicht 32a zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt 34a, 34b und eine an der ersten Schicht 32a angeordnete zweite Schicht 32b einen nicht-ferromagnetischen und elektrisch isolierenden Abschnitt 36 umfasst. Der axiale Schichtaufbau 30 kann bevorzugt mittels eines additiven Fertigungsverfahrens realisiert sein.
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Jeweilige Ausführungsformen der Schichten 32a, 32b des erfindungsgemäßen Nutenkeils 20 sind detailliert für die erste Schicht 32a in 3 und 4 und für die zweite Schicht 32b in 5 gezeigt. Die erste Schicht 32b kann zusätzlich zu dem zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt 34a, 34b zumindest einen nicht-ferromagnetischen und elektrisch isolierenden Teilabschnitt 38a, 38b umfassen, der als ein in 3 und 4 gezeigter unterer Teilabschnitt 38a an der Nutenkeilunterseite 24 und zusätzlich oder alternativ als ein in 4 gezeigter oberer Teilabschnitt 38b an der Nutenkeiloberseite 22 angeordnet sein kann. Der zumindest eine Teilabschnitte 38a, 38b wird zusätzlich von einem jeweiligen Bereich 39a, 39b der Mantelfläche 28 des Kühlkanals 26 und dem zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt 34a, 34b begrenzt. Dabei kann der untere Teilabschnitt 38a mittels der Nutenkeilunterseite 24, eines der Nutenkeilunterseite 24 gegenüberliegenden Bereichs 39a der Mantelfläche 28 des Kühlkanals 26 und an zwei gegenüberliegenden Seiten von einem ferromagnetischen Abschnitt 34a (siehe 3) und alternativ oder zusätzlich von zwei ferromagnetischen Abschnitten 34a, 34b (siehe 4) beschränkt sein. Der obere Teilabschnitt 38b kann mittels der Nutenkeiloberseite 22, eines der Nutenkeiloberseite 22 gegenüberliegenden Bereichs 39b der Mantelfläche 28 des Kühlkanals 26 und an 2 gegenüberliegenden Seiten von einem ferromagnetischen Abschnitt 34a (siehe 3) und alternativ oder zusätzlich von 2 ferromagnetischen Abschnitten 34a, 34b (siehe 4) beschränkt sein. In diesem Zusammenhang kann der zumindest eine nicht ferromagnetische und elektrisch isolierende Teilabschnitt 38a, 38b der ersten Schicht 32a und der nicht ferromagnetische und elektrisch isolierende Abschnitt 36 der zweiten Schicht 32b ein Bauteil 40 desselben Materials bilden, wobei das Bauteil 40 den zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt 34a, 34b der ersten Schicht 32a zumindest teilweise umschließen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der obere Teilabschnitt 38b als ein Spalt, insbesondere ein Luftspalt, realisiert sein.
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Des Weiteren kann eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nutenkeils 20 bei der Anordnung in der Nut 16 eine radiale Symmetrieachse 42 aufweisen, wie der Übersicht halber lediglich in 5 dargestellt ist. Dabei kann ein Querschnitt 44 der Schichten 32a, 32b drei achssymmetrische Flächenabschnitte 46a, 46b, 46c aufweisen, die mittels jeweiliger gestrichelter Linien optisch voneinander getrennt dargestellt sind. Dabei können zwei aneinander angeordnete Flächenabschnitte 46a, 46b als eine Trapezfläche und ein daran angeordneter dritter Flächenabschnitt 46c als eine Trapezfläche oder eine Rechtecksfläche ausgebildet sein.
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Somit kann eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nutenkeils 20 besonders vorteilhaft ausgebildet und ein besonders effizienter Betrieb der elektrischen Maschine 12 realisiert werden. Beispielsweise können mittels einer durch den Kühlkanal 26, der einen innerhalb des Nutenkeils 20 mittig angeordneten Hohlraum bildet, bereitgestellten Kühlung, insbesondere einer Flüssigkeitskühlung, die als Wicklungen ausgebildeten elektrischen Leitungen 18 besonders effektiv gekühlt werden, wodurch eine Leistungsdichte der elektrischen Maschine 12 erhöht werden kann. Des Weiteren kann eine durch die additive Fertigung mittels 3D-Druck realisierte Laminierung der Schichten 32a, 32b Wirbelströme in dem zumindest einen ferromagnetischen Abschnitts 34a, 34b der ersten Schicht 32a verringern, Eisenverluste reduzieren und einen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 12 erhöhen. Zusätzlich kann der Nutenkeil 20 unabhängig von dem Rotor und/oder Stator 14 eigenständig, das heißt separat gefertigt werden. Auch kann mittels des zumindest einen ferromagnetischen Abschnitts 34a, 34b der ersten Schicht 32a der Nutenkeil 20 zumindest teilweise magnetisiert und die zwischen zwei Zähnen des Rotors und/oder des Stators 14 angeordnete Nut 16 magnetisch geschlossen werden, sodass ein Rastmoment, das heißt eine Drehmomentwelligkeit, der elektrische Maschine 12 vermindert werden kann. Zusätzlich zu dem zumindest einen ferromagnetischen Abschnitt 34a, 34b kann die erste Schicht 32a den nicht-ferromagnetischen und elektrisch isolierenden zumindest einen Teilabschnitte 38a, 38b umfassen.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Nutenkeile können analog zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nutenkeils 20 die Nut 16 eines Stators 14 und/oder Rotors der elektrische Maschine 12 zumindest teilweise oder vollständig schließen. Unterschiede können sich beispielsweise aufgrund eines abweichenden Materials und daraus resultierenden Materialeigenschaften ergeben. Beispielsweise kann ein lediglich aus ferromagnetischen Material, zum Beispiel aus pulverförmigen Eisen und einem Bindemittel, gefertigter Nutenkeil des Stands der Technik wie eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nutenkeils 20 das Rastmoment der elektrischen Maschine 12 reduzieren und Wirbelströme sowie Eisenverluste minimieren. Dabei kann eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nutenkeils 20 eine vergleichsweise höhere Permeabilitätszahl auf (µ_R > 1000 statt µ_P ~ 3) aufweisen und einen Magnetfluss besser leiten.
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Beispielsweise kann ein lediglich nicht-ferromagnetisches und elektrische isolierendes Material, zum Beispiel aus Kohlefasern oder Epoxidharz, umfassender Nutenkeil des Stands der Technik im Vergleich zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nutenkeils 20 in einem verminderten Ausmaß Wirbelströme erzeugen und/oder Eisenverluste hervorrufen. Aufgrund einer verminderten Permeabilitätszahl (µ_R ~ 1) kann der Magnetfluss unbeeinflusst sowie die zu verschließende Nut 16 magnetisch geöffnet bleiben.
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Beispielsweise kann ein lediglich aus nicht-ferromagnetischen und elektrische leitendem Material, zum Beispiel aus Kupfer, Aluminium oder Bronze, gefertigter Nutenkeil des Stands der Technik mit einer Permeabilitätszahl µ_R ~ 1 im Vergleich zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nutenkeils 20 die Nut 16 magnetisches Verschließen ohne ein Leiten des Magnetflusses zu erlauben. Des Weiteren weist der derartige Nutenkeil des Stands der Technik vergleichsweise höhere Wirbelströme und das höhere Rastmoment auf.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung der mittels 3D-Druck gefertigte und laminierte Nutenkeil 20 mit dem internen Kühlkanal 26 insbesondere für elektrisch rotierende Maschinen 12 bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CH 652254 A5 [0003]
- US 2018/0205298 A1 [0005]
- DE 3111635 A1 [0007]
