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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator, wobei die elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingerichtet ist.
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Damit eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit hohen Leistungen betrieben werden kann, ist eine effektive Kühlung der elektrischen Maschine notwendig. Die bei hohen Leistungen entstehende Abwärme der elektrischen Maschine kann für bestimmte Anwendungen, z.B. elektrisch angetriebene Achsen, leistungsbegrenzend sein. Kritisch ist nicht nur die Temperatur des Rotors der elektrischen Maschine, sondern auch die Temperatur des Stators der elektrischen Maschine, insbesondere in Wickelköpfen und Nuten des Stators. Sobald die elektrische Maschine eine Grenztemperatur überschreitet, senkt typischerweise eine Steuerung der elektrischen Maschine die Leistung.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2017 214 427 B4 einen Stator für eine elektrische Maschine, mit einem Statorblechpaket und mit wenigstens einer in axialer Richtung des Stators auf das Statorblechpaket folgenden Endkappe. Ein Leitungselement ist separat von der Endkappe und separat von dem Statorblechpaket ausgebildet, wobei das Leitungselement in einem Teilbereich umgeformt und dadurch aufgeweitet ist. Das Leitungselement ist als eigensteifes Rohrelement ausgebildet und umfasst einen von einem Kühlmedium durchströmbaren ersten Kühlkanal. Ein erster Längenbereich des ersten Kühlkanals verläuft in dem Statorblechpaket und ein zweiter Längenbereich des zweiten Kühlkanals verläuft in der Endkappe. Die Endkappe weist wenigstens einen von dem Kühlmedium durchströmbaren und fluidisch mit dem ersten Kühlkanal verbundenen zweiten Kühlkanal auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Stator für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit verbesserter Kühlung zu schaffen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 und 15. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Stator für eine elektrische Maschine umfasst ein Blechpaket, das axial zwischen einer ersten und einer zweiten Endscheibe angeordnet ist, wobei eine Kühlleitung zur Einleitung eines Kühlmittels in mindestens einen Verteilerkanal an der jeweiligen Endscheibe außerhalb der Endscheiben und des Stators angeordnet sowie fluidtechnisch mit dem mindestens einen Verteilerkanal in der jeweiligen Endscheibe verbunden ist, wobei das Blechpaket mehrere Axialkanäle zur Führung des Kühlmittels durch den Stator aufweist, wobei die Axialkanäle zur Einströmung des Kühlmittels mit dem mindestens einen Verteilerkanal in der jeweiligen Endscheibe fluidtechnisch verbunden sind, wobei ein Abfluss für das Kühlmittel durch mindestens eine stirnseitige Öffnung in der jeweiligen Endscheibe ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Öffnung dazu eingerichtet ist, das Kühlmittel aus den Axialkanälen auf Wickelköpfe des Stators zu spritzen.
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Mit anderen Worten ist der mindestens eine Verteilerkanal zum Einspeisen von Kühlmittel aus der Kühlleitung in die Axialkanäle des Blechpakets ausgebildet, wobei die mindestens eine Öffnung zum Verspritzen des Kühlmittels aus den Axialkanälen auf die Wickelköpfe des Stators ausgebildet ist. Aufgrund der großen und direkten Benetzung der Oberflächen der Wickelköpfe mittels Kühlmittel aus den Axialkanälen erhöht sich das Kühlpotenzial der elektrischen Maschine, wobei eine direkte und unmittelbare Kühlung am Ort der Wärmeentwicklung, insbesondere an den Wickelköpfen des Stators, bewirkt wird.
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Bevorzugt sind mehrere Verteilerkanäle sowie Öffnungen in der jeweiligen Endscheibe ausgebildet. Die beiden Endscheiben sind somit sowohl zum Einströmen des Kühlmittels in die Axialkanäle als auch zum Abströmen des Kühlmittels aus den Axialkanälen vorgesehen. Unter einer fluidtechnischen Verbindung ist eine Verbindung zwischen zwei fluidführenden Bauteilen oder Kanälen zu verstehen, die einen Volumenstrom des Kühlmittels bewirkt.
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Die elektrische Maschine umfasst neben dem gehäusefesten Stator auch einen innerhalb des Stators angeordneten sowie drehbeweglichen Rotor mit einer Rotorwelle. Insbesondere kann die elektrische Maschine als Motor oder als Generator betrieben werden. Wenn die elektrische Maschine als Motor betrieben wird, kann eine insbesondere zeitvariable Spannung an den Stator und an die darin befindlichen Wicklungen angelegt werden, um ein zeitvariables Magnetfeld zu erzeugen, das im Rotor wirkt, um ein Drehmoment zu induzieren und damit eine Drehbewegung zu erzeugen. Wenn die elektrische Maschine als Generator betrieben wird, kann beispielsweise elektrische Energie durch Induktion eines variierenden Magnetfeldes, beispielsweise durch Rotation des Rotors, in einen geschleiften oder gewickelten Leiter des Stators erzeugt werden, um einen Strom in den Leiter zu induzieren.
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Vorzugsweise kann die Rotorwelle über einen darin ausgebildeten Kühlkanal mit Kühlmittel gekühlt werden. Unter dem Begriff Kühlmittel ist ein Kühlmedium insbesondere eine Kühlflüssigkeit zu verstehen, beispielsweise auf Ölbasis oder Wasserbasis. Das Kühlmittel ist dazu vorgesehen, Wärme aufzunehmen und abzuführen.
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Das Kühlmittel strömt erfindungsgemäß über die Kühlleitung in die beiden Endscheiben ein, wobei das Kühlmittel in den Endscheiben über den mindestens einen Verteilerkanal zu den Axialkanälen im Blechpaket des Stators geleitet wird, und wobei das Kühlmittel über die mindestens eine Öffnung in der jeweiligen Endscheibe aus den Axialkanälen auf die Wickelköpfe des Stators gespritzt wird, um den Stator nicht nur über die kühlmittelführenden Axialkanäle von innen, sondern über die kühlmittelbespritzte Oberfläche der Wickelköpfe auch von außen zu kühlen. Entlang des Strömungsweges entzieht das Kühlmittel den jeweiligen Bauteilen, die durchströmt oder benetzt werden, Wärme und kühlt sie somit ab. Anschließend wird das Kühlmittel aufgefangen und rückgekühlt, beispielsweise mittels eines Wärmetauschers, um dann wieder der Kühlleitung zugeführt zu werden und derart einen Kühlkreislauf auszubilden.
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Unter einer Kühlleitung ist ein kühlmittelführendes Element zu verstehen, beispielsweise ein Schlauch, Rohr oder Gehäuseabschnitt mit einem darin ausgebildeten Kühlkanal. Die Kühlleitung ist außerhalb des Stators und der Endscheiben angeordnet, insbesondere zwischen einer ersten und zweiten elektrischen Maschine, wobei beide elektrische Maschinen mit Kühlmittel aus der Kühlleitung versorgt werden.
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Das Blechpaket weist beispielsweise in axialer Richtung des Stators aufeinanderfolgende bzw. hintereinander angeordnete Blechlagen auf. In Ausnehmungen des Blechpakets sind radial ausgebildete sowie sich axial erstreckende Statorzähne angeordnet, wobei die Statorzähne Spulen einer elektrischen Wicklung aufnehmen. Beispielsweise sind die Axialkanäle im Bereich von Statorzähnen angeordnet und erstrecken sich im Wesentliche parallel sowie über die gesamte axiale Länge der Statorzähne. Die Bereiche an den Statorzähnen sind magnetisch günstig für die Anordnung der Axialkanäle, denn dadurch lässt sich eine kurze thermische Wirkkette einstellen. Vorzugsweise bilden die Bleche des Blechpaketes die Wandung der jeweiligen Axialkanäle, wobei dann das Kühlmittel beim Durchfluss durch die Axialkanäle unmittelbar Oberflächen des Blechpakets berührt.
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Bevorzugt grenzen die Axialkanäle in radialer Richtung nach außen an den Statorzähnen. Insbesondere ist jeweils ein Axialkanal in Umfangsrichtung mittig zwischen jeweils zwei Statornuten ausgebildet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jeweils ein Axialkanal in Umfangsrichtung mittig zwischen jeweils zwei Statornuten sowie in radialer Richtung außerhalb der Statorzähne ausgebildet. Je näher die Axialkanäle an den wärmeentwickelnden Komponenten des Stators angeordnet sind, umso geringer ist die thermische Wirkkette und umso höher ist die Effizienz der Kühlung.
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Beispielsweise sind mehrere Umlenkungskanäle in der jeweiligen Endscheibe angeordnet, wobei der jeweilige Umlenkungskanal zum Umlenken des Kühlmittels aus einem der Axialkanäle in einen in Umfangsrichtung daran angrenzenden Axialkanal eingerichtet ist. Der jeweilige Umlenkungskanal ist vorzugsweise als längliche Nut in Umfangsrichtung ausgebildet und verbindet zwei in Umfangsrichtung benachbarte Axialkanäle fluidtechnisch miteinander. Mithin strömt das Kühlmittel über die Kühlleitung in die jeweilige Endscheiben ein, wobei das Kühlmittel in der jeweiligen Endscheibe über den mindestens einen Verteilerkanal zu den Axialkanälen im Blechpaket des Stators geleitet wird, wobei ferner das Kühlmittel über den jeweiligen Umlenkungskanal in der jeweils anderen Endscheibe um 180° umgelenkt und in einen in Umfangsrichtung angrenzenden Axialkanal eingeleitet wird, wobei das Kühlmittel über die mindestens eine Öffnung in der jeweiligen Endscheibe, in der das Kühlmittel über den mindestens einen Verteilerkanal eingespeist wurde, aus den Axialkanälen auf die Wickelköpfe des Stators gespritzt wird.
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Beispielsweise sind der mindestens eine Verteilerkanal und/oder der mindestens eine Umlenkungskanal jeweils als Vertiefung in einer zum Blechpaket weisenden Stirnfläche der jeweiligen Endscheibe ausgebildet. Mithin ist entweder der mindestens eine Verteilerkanal oder der mindestens eine Umlenkungskanal jeweils als Vertiefung in der zum Blechpaket weisenden Stirnfläche der jeweiligen Endscheibe ausgebildet. Alternativ sind sowohl der mindestens eine Verteilerkanal als auch der mindestens eine Umlenkungskanal jeweils als Vertiefung in der zum Blechpaket weisenden Stirnfläche der jeweiligen Endscheibe ausgebildet.
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Die jeweilige Endscheibe kommt axial an einem jeweiligen stirnseitigen Ende des Blechpakets zur Anlage, und zwar derart, dass wenigstens der mindestens eine Verteilerkanal und der jeweilige Umlenkungskanal fluiddicht an dem Blechpaket anliegen. Mithin wird zumindest mittelbar, beispielsweise über mindestens eine Dichtung zwischen der jeweiligen Endscheibe und dem Blechpaket, oder unmittelbar eine Abdichtung des mindestens einen Verteilkanals und des jeweiligen Umlenkungskanals am Blechpaket ausgebildet, sodass kein Kühlmittel aus dem mindestens einen Verteilerkanal oder dem jeweiligen Umlenkungskanal ungewollt über die Stirnflächen des Blechpakets ausströmen kann. Insbesondere ist die jeweilige Endscheibe mit dem jeweiligen Blechpaket axial verspannt.
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Beispielsweise ist ein Zufluss für das Kühlmittel an einem Außenumfang der jeweiligen Endscheibe ausgebildet, wobei der Zufluss mit dem mindestens einen Verteilerkanal fluidtechnisch verbunden ist. Der Zufluss an der jeweiligen Endscheibe ist bevorzugt über einen in Umfangsrichtung begrenzten Abschnitt an dem Außenumfang der jeweiligen Endscheibe ausgebildet und fluidtechnisch über einen Zuführkanal mit der Kühlleitung verbunden. Der Zufluss weist vorzugsweise die gleiche Vertiefung wie der Verteilerkanal in der Stirnfläche der jeweiligen Endscheibe auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Verteilerkanal zumindest abschnittsweise umlaufend in Umfangsrichtung an der jeweiligen Endscheibe ausgebildet. Mithin ist der mindestens eine Verteilerkanal ringförmig in der Stirnfläche der jeweiligen Endscheibe ausgebildet, wobei der Zufluss des Kühlmittels über den Außenumfang dieser ringförmigen Geometrie erfolgt. Die jeweilige Endscheibe weist insbesondere eine zentrale Bohrung zur axialen Durchführung der Statorwicklungen auf, wobei die jeweilige Endscheibe mit der zentralen Bohrung an den Statorwicklungen angrenzt.
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Vorzugsweise weist der mindestens eine Verteilerkanal mehrere in radialer Richtung ausgebildete Ausnehmungen zur Einleitung des Kühlmittels in den jeweiligen Axialkanal auf. Beispielsweise sind die Ausnehmungen an einem Innenumfang des ringförmigen Verteilerkanals radial nach innen ausgebildet. Die Ausnehmungen weisen vorzugsweise die gleiche Vertiefung in der Stirnfläche der jeweiligen Endscheibe wie der Verteilerkanal auf und sind im montierten Zustand der Endscheiben am Stator derart positioniert zu den Axialkanälen, dass durch jede Ausnehmung Kühlmittel in einen jeweiligen damit fluchtenden Axialkanal strömt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der jeweilige Umlenkungskanal in Umfangsrichtung zwischen jeweils einer Ausnehmung und jeweils einer Öffnung ausgebildet. Beispielsweise sind in beiden Endscheiben in Umfangsrichtung eine Ausnehmung zum Einleiten des Kühlmittels in einen jeweils ersten Axialkanal, ein Umlenkungskanal zum Umlenken des Kühlmittels aus dem jeweils ersten Axialkanal in einen in Umfangsrichtung angrenzenden zweiten Axialkanal, und eine Öffnung zum Abspritzen des Kühlmittels aus dem jeweiligen zweiten Axialkanal auf die Wickelköpfe des Stators angeordnet. Insbesondere wiederholen sich die Ausnehmung, der Umlenkungskanal und die Öffnung in Umfangsrichtung gleichmäßig an der jeweiligen Endscheibe, wobei die Ausnehmung mit genau einem Axialkanal fluidtechnisch verbunden ist, wobei ferner der Umlenkungskanal mit genau zwei Axialkanälen fluidtechnisch verbunden ist, und wobei die Öffnung mit genau einem Axialkanal fluidtechnisch verbunden ist, wobei die vier zuvor genannten Axialkanäle in der zuvor genannten Reihenfolge in Umfangsrichtung benachbart zueinander ausgebildet sind.
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Bevorzugt ist die mindestens eine Öffnung dazu eingerichtet, eine Blende aufzunehmen. Unter einer Blende ist ein Element zu verstehen, das die jeweilige Öffnung zumindest teilweise verschließt bzw. ihren Querschnitt derart verändert, dass der Volumenstrom und insbesondere auch eine Spritzrichtung und ein Spritzstrahl eingestellt wird. Neben dem Volumenstrom stellt die Blende auch einen Druck des Kühlmittels in den Axialkanälen ein.
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Bevorzugt sind die Axialkanäle umlaufend verteilt über den Umfang des Stators in dem Blechpaket ausgebildet. Mit anderen Worten wird der Stator über die in Umfangsrichtung umlaufend, also über 360° im Blechpaket ausgebildeten Axialkanäle gekühlt. Beispielsweise sind die Axialkanäle gleichmäßig, vorzugsweise symmetrisch im Blechpaket des Stators ausgebildet und erstrecken sich parallel zu einer Drehachse der Rotorwelle von einem stirnseitigen Ende bis zum anderen stirnseitigen Ende des Stators.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Axialkanäle dazu eingerichtet, abwechselnd von der ersten und zweiten Endscheibe mit Kühlmittel durchströmt zu werden, um eine homogene Temperaturverteilung über den Umfang des Stators einzustellen. Mithin sind die Axialkanäle und Endscheiben derart ausgebildet, dass der Durchfluss von Kühlmittel, also die Durchströmung mit Kühlmittel in den Axialkanälen in Umfangsrichtung abwechselnd von der ersten zur zweiten Endscheibe sowie von der zweiten zur ersten Endscheibe erfolgt. Dadurch lässt sich nicht nur eine homogene Kühlung und Temperaturverteilung im Stator erzielen, sondern auch eine homogene beidseitige Kühlung der Wickelköpfe des Stators.
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Zur Einstellung einer homogenen Temperaturverteilung über den Umfang des Stators wird das Kühlmittel beispielsweise über die erste Endscheibe in die Axialkanäle eingeleitet und über die zweite Endscheibe aus den Axialkanälen ausgeleitet und auf die Wickelköpfe des Stators gespritzt. In jedem zweiten Axialkanal in Umfangsrichtung gesehen, wird dann das Kühlmittel über die zweite Endscheibe in die Axialkanäle eingeleitet und über die erste Endscheibe aus den Axialkanälen ausgeleitet und auf die Wickelköpfe des Stators gespritzt.
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Alternativ dazu kann eine abwechselnde Durchflussrichtung in den Axialkanälen beispielsweise auch dadurch erzielt werden, dass Kühlmittel über die erste Endscheibe in die Axialkanäle eingeleitet, über die zweite Endscheibe jeweils in einen in Umfangsrichtung angrenzenden zweiten Axialkanal umgelenkt, und über diesen zweiten Axialkanal wieder zurück in die erste Endscheibe eingeleitet wird, wobei das Kühlmittel aus der ersten Endscheibe auf die Wickelköpfe des Stators gespritzt wird. In jedem dritten Axialkanal in Umfangsrichtung gesehen, wird dann Kühlmittel über die zweite Endscheibe in die Axialkanäle eingeleitet, über die erste Endscheibe jeweils in einen in Umfangsrichtung angrenzenden vierten Axialkanal umgelenkt, und über diesen vierten Axialkanal wieder zurück in die zweite Endscheibe eingeleitet, wobei das Kühlmittel aus der zweiten Endscheibe auf Wickelköpfe des Stators gespritzt wird.
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Beispielsweise sind in den Axialkanälen Kühlrippen zur Wärmeabfuhr ausgebildet. Die Wärmeabfuhr wird mittels der Kühlrippen in den Axialkanälen verbessert, und zwar dadurch, dass eine größere Benetzung der zur Kühlung wirksamen Fläche erzielt wird. Beispielsweise wird mittels Kühlrippen in den Axialkanälen aufgrund der Querschnittsminderung auch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in den Axialkanälen erhöht. Insbesondere kann der Wirkungsgrad der Kühlrippen erhöht werden, wenn die Strömung an den Kühlrippen zumindest abschnittsweise laminar eingestellt wird. Eine optimierte Strömungsführung des Kühlmittels zur verbesserten Wärmeabfuhr kann insbesondere durch Anpassung von Geometrien sowie gezielten Umlenkungen und einer über den Umfang abwechselnden Durchströmung der Axialkanäle mit Kühlmittel erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die jeweilige Kühlrippe einen ersten, zweiten und dritten Steg auf, wobei die drei Stege den Axialkanal in drei Axialkanalbereiche teilen und sich zumindest teilweise in axialer Richtung des Axialkanals erstrecken. Insbesondere erstreckt sich die jeweilige Kühlrippe in dem jeweiligen Axialkanal über die gesamte Länge des Axialkanals. Der erste, zweite und dritte Steg sind derart ausgebildet, dass sie sich von der Wandung des Axialkanals radial nach innen erstrecken und in einem gemeinsamen Zentrum zusammentreffen. Die drei Stege können beispielsweise gleich lang sein oder unterschiedliche Längen aufweisen. Insbesondere können auch nur zwei der drei Stege gleich lang sein. Vorzugsweise sind die drei Axialkanalbereiche zumindest teilweise elliptisch ausgebildet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die drei Axialkanalbereiche im Wesentlichen herzförmig ausgebildet. Weitere bevorzugte Ausführungsform für die drei Axialkanalbereiche sind insbesondere in 6 und 7 dargestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Axialkanäle Mittel zur Fluidabdichtung auf. Beispielsweise erfolgt die Fluidabdichtung der Axialkanäle durch Verklebung des Blechpakets des Stators. Gemäß eines weiteren Beispiels erfolgt die Fluidabdichtung der Axialkanäle durch Einlagen oder Inserts, die fluiddicht sind und sich der Geometrie des jeweiligen Axialkanals anpassen, somit korrespondierend dazu ausgebildet sind. Beispielsweise ist als Einlage ein umfangsseitig geschlossener Schlauch oder eine Verrohrung im jeweiligen Axialkanal zu verstehen.
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Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen erfindungsgemäßen Stator. Die elektrische Maschine wird entweder allein oder in Kombination mit einer weiteren elektrischen Maschine oder einer Brennkraftmaschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet. Beispielsweise ist die elektrische Maschine zum Antrieb einer Achse des Kraftfahrzeugs eingerichtet.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
- 2 eine schematische Längsschnittdarstellung der elektrischen Maschine gemäß 1,
- 3 eine schematische Perspektivdarstellung zweier Endscheiben sowie dazwischen angeordneten Axialkanälen in einem transparent dargestellten Stator der elektrischen Maschine gemäß 1 und 2,
- 4 eine schematische Perspektivdarstellung einer der beiden identisch zueinander ausgebildeten Endscheiben gemäß 3,
- 5 eine schematische Detailschnittdarstellung durch mehrere Axialkanäle des Stators,
- 6 eine vergrößerte schematische Detaildarstellung eines Axialkanals gemäß 5, und
- 7 eine vergrößerte schematische Detaildarstellung eines Axialkanals gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Gemäß 1 umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 einen gehäusefesten Stator 2 und einen drehbeweglichen Rotor 17, der innerhalb des Stators 2 angeordnet ist und vorliegend von dem Stator 2 teilweise verdeckt ist. Der Rotor 17 umfasst eine Rotorwelle 18 mit einem darin ausgebildeten Kühlkanal 19. Stirnseitig an einem Blechpaket 3 des Stators 2 ist eine erste und eine zweite Endscheibe 4, 5 angeordnet. Mithin ist das Blechpaket 3 des Stators 2 axial zwischen den beiden Endscheiben 4, 5 angeordnet. Ferner ist eine Kühlleitung 6 außerhalb der Endscheiben 4, 5 und des Stators 2 angeordnet, die zur Führung und Einleitung eines Kühlmittels in einen jeweiligen Verteilerkanal 7 an der jeweiligen Endscheibe 4, 5 eingerichtet und dazu fluidtechnisch mit dem jeweiligen Verteilerkanal 7 in der jeweiligen Endscheibe 4, 5 verbunden ist. Die Verteilerkanäle 7 in der jeweiligen Endscheibe 4, 5 sind in 1 aus perspektivischen Gründen nicht gezeigt, jedoch in den nachfolgenden Figuren dargestellt.
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Gemäß 2 ist die elektrische Maschine 1 nach 1 in einem Längsschnitt dargestellt. In 2 ist der Kühlkanal 19 in der Rotorwelle 18 des Rotors 17 deutlich sichtbar, wobei der Kühlkanal 19 zur Kühlung der Rotorwelle 3 von Kühlmittel durchströmt wird. Der Stator 2 ist vorliegend in einer Schnittebene dargestellt und umfasst das axial zwischen den beiden Endscheiben 4, 5 angeordnete Blechpaket 3. Das Blechpaket 3 weist mehrere Axialkanäle 8 zur Führung von Kühlmittel durch den Stator 2 auf. Die Axialkanäle 8 sind zur Einströmung des Kühlmittels mit dem jeweiligen Verteilerkanal 7 in der jeweiligen Endscheibe 4, 5 fluidtechnisch verbunden. Ein Abfluss für das Kühlmittel erfolgt durch mehrere stirnseitige Öffnungen 9 in der jeweiligen Endscheibe 4, 5. Die Öffnungen 9 sind dazu eingerichtet, das Kühlmittel aus den Axialkanälen 8 auf Wickelköpfe 10 des Stators 2 zu spritzen, um dadurch auch die sich stirnseitig nach außen erstreckenden Wickelköpfe 10 des Stators 2 zu kühlen. In der jeweiligen Öffnung 9 ist eine jeweilige Blende 13 zur Einstellung einer Durchflussrate und einer Geometrie eines jeweiligen Kühlmittelstrahls 20 aufgenommen. Dadurch wird eine größere Benetzung der Wickelköpfe 10 mit Kühlmittel bewirkt. Die aus den Öffnungen 9 spritzenden Kühlmittelstrahlen 20 sind auch in 1 und 3 gezeigt.
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In 3 sind der Rotor 17, die Rotorwelle 18 und das Blechpaket 3 des Stators 2 ausgeblendet, wobei lediglich die beiden Endscheiben 4, 5, die im Blechpaket 3 ausgebildeten Axialkanäle 8 und die Kühlleitung 6 dargestellt sind. Jeweils ein Zufluss 11 für die Einspeisung von Kühlmittel aus der Kühlleitung 6 ist an einem Außenumfang der jeweiligen Endscheibe 4, 5 ausgebildet. Der jeweilige Zufluss 11 ist mit dem jeweiligen Verteilerkanal 7 fluidtechnisch verbunden. Mithin strömt das Kühlmittel über den jeweiligen Zufluss 11 in den jeweiligen Verteilerkanal 7 der jeweiligen Endscheibe 4, 5 ein. Der jeweilige Verteilerkanal 7 ist umlaufend in Umfangsrichtung an der jeweiligen Endscheibe 4, 5 ausgebildet und weist mehrere in radialer Richtung ausgebildete Ausnehmungen 12 zur Einleitung des Kühlmittels in den jeweiligen Axialkanal 8 auf. Ferner sind mehrere Umlenkungskanäle 14 in der jeweiligen Endscheibe 4, 5 angeordnet. Der jeweilige Umlenkungskanal 14 ist zum Umlenken des Kühlmittels aus einem der Axialkanäle 8 in einen in Umfangsrichtung daran angrenzenden Axialkanal 8 eingerichtet. Die stirnseitigen Öffnungen 9 in der jeweiligen Endscheibe 4, 5 dienen als Abfluss für das Kühlmittel, wobei das Kühlmittel über die Öffnungen 9 aus den Axialkanälen 8 auf die Wickelköpfe 10 des Stators 2 gespritzt wird. Die in 1, 2 und 3 dargestellten Kühlmittelstrahlen 20 veranschaulichen wie das Kühlmittel aus den Öffnungen 9 abgespritzt wird. Aufgrund der perspektivischen Darstellung sind der Verteilerkanal 9, die Ausnehmungen 12 und die Umlenkungskanäle 14 in der zweiten Endscheibe 5 vorliegend nicht sichtbar.
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4 zeigt eine der beiden Endscheiben 4, 5 gemäß 1 bis 3 in einer vergrößerten perspektivischen Darstellung. Beide Endscheiben 4, 5 der elektrischen Maschine 1 sind identisch ausgebildet und im montierten Zustand stirnseitig am Blechpaket 3 angeordnet. Der Verteilerkanal 7 und die Umlenkungskanäle 14 sind jeweils als Vertiefungen in der zum Blechpaket 3 weisenden Stirnfläche der jeweiligen Endscheibe 4, 5 ausgebildet. Der Zufluss 11 für das Kühlmittel ist ebenfalls als Vertiefung an dem Außenumfang der jeweiligen Endscheibe 4, 5 ausgebildet und mit dem Verteilerkanal 7 fluidtechnisch verbunden. Der Verteilerkanal 7 ist umlaufend in Umfangsrichtung an der jeweiligen Endscheibe 4, 5 ausgebildet und weist mehrere in radialer Richtung ausgebildete Ausnehmungen 12 zur Einleitung des Kühlmittels in den jeweiligen Axialkanal 8 auf. Der jeweilige Umlenkungskanal 14 ist in Umfangsrichtung zwischen jeweils einer Ausnehmung 12 und jeweils einer Öffnung 9 ausgebildet. Vorliegend folgt im Uhrzeigersinn stets der Umlenkungskanal 14 auf die Ausnehmung 12, wobei die Öffnung 9 jeweils auf den Umlenkungskanal 14 folgt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die jeweilige Endscheibe 4, 5 jeweils neun Ausnehmungen 12, neun Umlenkungskanäle 14 sowie neun Öffnungen 9 auf.
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Nach 3 sind die beiden Endscheiben 4, 5 im montierten Zustand am Blechpaket 3 des Stators 2 derart zueinander verdreht, dass die jeweiligen Ausnehmungen 12 an der ersten Endscheibe 4 über einen jeweiligen Axialkanal 8 stets fluidtechnisch mit den jeweiligen Umlenkungskanälen 14 an der zweiten Endscheibe 5 verbunden sind, wobei die jeweiligen Umlenkungskanäle 14 an der zweiten Endscheibe 5 über einen jeweiligen weiteren Axialkanal 8 stets fluidtechnisch mit den Öffnungen 9 an der ersten Endscheibe 4 verbunden sind. Mithin sind die Axialkanäle 8 dazu eingerichtet, abwechselnd von der ersten und zweiten Endscheibe 4, 5 mit Kühlmittel angeströmt zu werden, um eine homogene Temperaturverteilung über den Umfang des Stators 2 einzustellen. Die Pfeile in einigen der Axialkanäle 8 und Umfangskanäle 14 visualisieren die Strömungsrichtung des Kühlmittels. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind im Blechpaket 3 des Stators 2 insgesamt 36 Axialkanäle 8 gleichmäßig verteilt ausgebildet.
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In 5 ist ein Ausschnitt des Stators 2 dargestellt, wobei vorliegend fünf Axialkanäle 8 im Blechpaket 3 des Stators 2 abgebildet sind. Die Axialkanäle 8 sind im Bereich von Statorzähnen 22 angeordnet. Vorliegend sind die Axialkanäle 8 in Umfangsrichtung mittig zwischen jeweils zwei Statornuten 21 sowie in radialer Richtung außerhalb der Statorzähne 22 ausgebildet. In den Axialkanälen 8 sind Kühlrippen 15 zur verbesserten Wärmeabfuhr ausgebildet, wobei die jeweilige Kühlrippe 15 einen ersten, zweiten und dritten Steg 16a, 16b, 16c aufweist. Die drei Stege 16a, 16b, 16c teilen den Axialkanal 8 in drei Axialkanalbereiche auf und erstrecken sich zumindest teilweise in axialer Richtung des Axialkanals 8. Dadurch ergibt sich ein im Wesentlichen herzförmiger Querschnitt des jeweiligen Axialkanalbereichs.
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6 zeigt einen der in 5 dargestellten Axialkanäle 8 vergrößert. Der im Blechpaket 3 des Stators 2 ausgebildete Axialkanal 8 erstreckt sich linear von einer ersten Stirnfläche des Stators 2 bis zu einer zweiten Stirnfläche des Stators 2. Die aus den drei Stegen 16a, 16b, 16c gebildete Kühlrippe 15 erstreckt sich über die gesamte Länge des Axialkanals und unterteilt diesen in den drei Axialkanalbereichen. Der ursprüngliche Querschnitt des Axialkanals 8 ohne Kühlrippe 15 entspricht im Wesentlichen einem Dreieck mit nach innen abgerundeten Ecken. Daraus ergeben sich vorliegend die drei herzförmigen Axialkanalbereiche, die teilweise verdreht und verzerrt sind.
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7 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Axialkanals 8 im Blechpaket 5 des Stators 2. Vorliegend ist in dem Axialkanal 8 eine Kühlrippe 15 zur verbesserten Wärmeabfuhr ausgebildet. Die Kühlrippe 15 weist einen ersten, zweiten und dritten Steg 16a, 16b, 16c auf, wobei die drei Stege 16a, 16b, 16c den Axialkanal 8 in drei Axialkanalbereiche teilen. Die Kühlrippe 13 erstreckt sich in axialer Richtung des Axialkanals 8 und weist ebenso wie die an dem Blechpaket 5 angrenzende Wandung des Axialkanals 8 Mittel zur Fluidabdichtung auf. Somit kann kein Kühlmittel in radialer Richtung über das Blechpaket 3 aus dem Axialkanal 8 in den Stator 2 austreten. Der ursprüngliche Querschnitt des Axialkanals 8 ohne Kühlrippe 15 entspricht im Wesentlichen einem Dreieck mit nach außen abgerundeten Ecken. Daraus ergeben sich vorliegend drei ellipsenbogenförmige Axialkanalbereiche, die teilweise verdreht und verzerrt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Blechpaket
- 4
- erste Endscheibe
- 5
- zweite Endscheibe
- 6
- Kühlleitung
- 7
- Verteilerkanal
- 8
- Axialkanal
- 9
- Öffnung
- 10
- Wickelkopf
- 11
- Zufluss
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Blende
- 14
- Umlenkungskanal
- 15
- Kühlrippe
- 16a
- erster Steg
- 16b
- zweiter Steg
- 16c
- dritter Steg
- 17
- Rotor
- 18
- Rotorwelle
- 19
- Kühlkanal
- 20
- Kühlmittelstrahl
- 21
- Statornut
- 22
- Statorzahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017214427 B4 [0003]
