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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist bevorzugt einen gekühlten Wickelkopf auf, indem der Wickelkopf zur Wärmeübertragung an einem Gehäuseteil anliegt.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt. Solche elektrischen Maschinen weisen elektrische Wicklungen auf, die aus Kupferelementen oder Aluminiumelementen gebildet sind. Dabei erfolgt eine Abgabe von Verlustwärme über die elektrische Wicklung an den Stator der elektrischen Maschine. Insbesondere ist auf die Entwärmung der Wickelköpfe des Stators zu achten. So beschreibt beispielsweise die
EP 3 297 139 A1 eine Möglichkeit der Entwärmung des Wickelkopfs. Eine weitere Möglichkeit der Entwärmung der Wickelköpfe ist aus der
DE 10 2012 206 442 A1 bekannt. In diesem Dokument ist eine Lösung beschreiben, in der der Wickelkopf in eine komplementär geformte Aussparung des Gehäuses der elektrischen Maschine eingelegt wird. Somit erfolgt insbesondere eine Wärmeübertragung zwischen Gehäuse und Wickelkopf, wodurch der Wickelkopf entwärmt werden kann.
Der Stand der Technik von biegeschlaffen Leiterwerkstoffen auf Basis von Graphen und/ oder Kohlenstoffnanoröhren in
WO18177767 A1 schildert, dass sich diese Leiterwerkstoffe auch biegeschlaff elektrisch isolieren lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine erlaubt bei einfacher und kostengünstiger Herstellung und Montage eine zuverlässige Kühlung der Wickelköpfe. Dabei ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse angeordneten Stator aufweist. Der Stator weist einen hohlzylinderförmigen Statorgrundkörper auf, wobei an dem Statorgrundkörper eine elektrische Wicklung angeordnet ist. Radial innerhalb des Statorgrundkörpers lässt sich ein Rotor der elektrischen Maschine anordnen.
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Die Wicklung des Stators weist an stirnseitigen Enden des Statorgrundkörpers einen Wickelkopf auf. Dabei ist vorgesehen, dass der Wickelkopf gegen einen Wandabschnitt des Gehäuses gepresst ist. Dadurch lässt sich der Wickelkopf von dem Gehäuse kühlen, indem eine Wärmeübertragung zwischen Wickelkopf und Gehäuse stattfindet.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass an dem Wandabschnitt in Richtung des Stators hervorstehende Wärmeaufnahmeelemente angeordnet sind, die in den Wickelkopf hineinragen. Somit ist eine Oberfläche, mit der der Wickelkopf in Kontakt mit dem Wandabschnitt steht, durch die Wärmeaufnahmeelemente vergrößert. Dadurch erfolgt eine optimale Wärmeübertragung zwischen Wickelkopf und Wandabschnitt, wodurch eine effektive Entwärmung des Wickelkopfs durch das Gehäuse erfolgen kann. Gleichzeitig ist der Wickelkopf selbst einfach und kostengünstig aufgebaut, insbesondere muss keine besondere Vorkehrung am Wickelkopf getroffen werden. Beispielsweise wird während einer Montage der elektrischen Maschine der Wickelkopf derart gegen den Wandabschnitt gedrückt, dass das Hineinragen der Wärmeaufnahmeelemente in den Wickelkopf erreicht ist. Dies geschieht insbesondere derart, dass die Wärmeaufnahmeelemente zwischen die elektrischen Leiter des Wickelkopfs gelangen, wodurch insbesondere erreicht ist, dass sämtliche Wärmeaufnahmeelemente von dem Wickelkopf umgeben sind. Somit können die elektrischen Leiter des Wickelkopfes über die Wärmeaufnahmeelemente Wärme an das Gehäuse übertragen.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass elektrische Leiter der Wicklung aus einem Werkstoff basierend auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphenplättchen hergestellt ist. Solche Werkstoffe weisen vorteilhafterweise biegeschlaffe Eigenschaften auf. Insbesondere lässt sich damit erreichen, dass der Wickelkopf textiles Verhalten besitzt. Solches textiles Verhalten ist vorteilhaft, wenn die Wärmeaufnahmeelemente in den Wickelkopf eindringen und dadurch in diesen hineinragen. Außerdem ist insbesondere eine bestimmte Formgebung des Wickelkopfs einfach und aufwandsarm während der Montage der elektrischen Maschine ermöglicht, sodass sich besagte Werkstoffe optimal zum Herstellen eines Wickelkopfs eignen, der gegen den Wandabschnitt des Gehäuses gepresst ist.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass elektrische Leiter der Wicklung zumindest an dem Wickelkopf biegeschlaff ausgeführt sind. Somit wird insbesondere textiles Verhalten des Wickelkopfs erreicht. Damit kann der Wickelkopf optimal gegen das Gehäuse, insbesondere gegen den Wandabschnitt, gepresst werden, um möglichst großflächig an dem Wandabschnitt anzuliegen. Durch diese Anlage ist erreicht, dass ein Wärmeübergang zwischen Wickelkopf und Gehäuse maximiert ist. Somit kann wiederum eine optimale Entwärmung des Wickelkopfs erfolgen.
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Die Wärmeaufnahmeelemente sind insbesondere Rippen und/oder Zapfen. Die Rippen können sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung bezüglich der Mittelachse des Stators verlaufen. Der Wickelkopf kann die Rippen und/oder Zapfen umschließen, wenn diese im Herstellungsprozess in den Wickelkopf eindringen. Somit ist wiederum eine optimale Möglichkeit der Wärmeübertragung erreicht.
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Die Zapfen sind besonders bevorzugt prismenförmig und/oder konusförmig im Sinne eines Kegels oder Kegelstumpfes und/oder pyramidenförmig, im Sinne einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes auf Basis eines einfachen Polygons, ausgebildet. Insbesondere ist eine Abmessung an dem freien Ende der Zapfen geringer als eine Abmessung unmittelbar an dem Gehäuse. Somit ist das Eindringen der Zapfen in den Wickelkopf im Herstellungsprozess vereinfacht.
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Ebenso ist besonders vorteilhaft vorgesehen, dass die Rippen einen sich zum freien Ende hin verjüngenden Querschnitt aufweisen. Auch dies vereinfacht im Herstellungsprozess das Eindringen der Rippen in den Wickelkopf. Es ist dazu vorgesehen, dass die Rippen am freien Ende eine geringere Abmessung aufweisen als unmittelbar am Gehäuse.
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Die Wärmeaufnahmeelemente weisen bevorzugt eine strukturierte Oberfläche auf. Eine Tiefe der Strukturen der strukturierten Oberfläche beträgt bevorzugt maximal 10% der Höhe der Wärmeaufnahmeelemente. Dadurch ist eine optimierte Oberfläche für das Entwärmen des Wickelkopfes bereitgestellt.
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Bevorzugt ist zwischen dem Wandabschnitt und dem Wickelkopf ein Isolationselement angeordnet. Das Isolationselement kann ein separates Element sein, das während der Montage zwischen dem Gehäuse und dem Wickelkopf angeordnet wird. Besonders vorteilhaft handelt es sich bei dem Isolationselement aber um eine Isolationsbeschichtung des Wandabschnitts, sodass wiederum eine Montage vereinfacht ist, da kein separates Isolationselement zu handhaben ist. Durch das Isolationselement sind Wickelkopf und Gehäuse elektrisch voneinander isoliert. Damit ist ein Kurzschluss an dem Gehäuse vermieden. Besonders vorteilhaft weist das Isolationselement eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, sodass die Wärmeübertragung zwischen Wickelkopf und Gehäuse nicht beeinträchtigt, insbesondere sogar gefördert, ist. Die Isolationsbeschichtung ist vorteilhafterweise auch an den Wärmeaufnahmeelementen vorhanden.
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Der Wandabschnitt weist bevorzugt zumindest ein Begrenzungselement auf. Das Begrenzungselement liegt an einer radialen Innenseite und/oder an einer radialen Außenseite des Wickelkopfs an. Somit stellt das Begrenzungselement eine radiale Begrenzung für den Wickelkopf dar. Insbesondere ist der Wickelkopf somit zwischen den Begrenzungselementen auf der radialen Seite und dem Wandabschnitt sowie dem Statorgrundkörper auf der axialen Seite eingeklemmt. Dies führt dazu, dass der Wickelkopf optimal gegen das Gehäuse gepresst ist. Damit ist eine größtmögliche Wärmeübertragung zwischen Wickelkopf und Gehäuse ermöglicht.
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Das Gehäuse umfasst bevorzugt ein hohlzylinderförmiges oder topfförmiges Aufnahmeelement. Das Aufnahmeelement dient zum Halten des Statorgrundkörpers. Außerdem weist das Gehäuse ein auf das Aufnahmeelement aufsetzbares Lagerschild auf. Das Lagerschild dient vorteilhafterweise zum Lagern des Rotors der elektrischen Maschine. Ist das Aufnahmeelement topfförmig, so ist lediglich ein einziges Lagerschild vorhanden. Ist das Aufnahmeelement hingegen hohlzylinderförmig, so sind stirnseitig des hohlzylinderförmigen Aufnahmeelements jeweils ein Lagerschild vorgesehen. Der Wandabschnitt mit den Wärmeaufnahmeelementen ist bevorzugt an dem Lagerschild angeordnet. Somit erfolgt insbesondere das Anpressen des Rotors an das Gehäuse durch das Montieren des Lagerschilds an dem Aufnahmeelement.
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Der Wickelkopf ist durch den Wandabschnitt vorteilhafterweise in eine bestimmte Form gebracht. Der Wickelkopf liegt dadurch flächig an dem Wandabschnitt an, wobei der Wandabschnitt vorteilhafterweise eben ausgebildet ist. Somit ist wiederum eine maximale Wärmeübertragung zwischen Wandabschnitt und Wickelkopf ermöglicht.
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Das Gehäuse ist besonders bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, zumindest aber aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Somit lässt sich der Wickelkopf durch das Gehäuse optimal entwärmen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Detailansicht der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Ansicht eines Stators der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Ansicht des Stators der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung vor dem Anpressen des Wickelkopfs an das Gehäuse,
- 5 eine schematische Darstellung des Stators der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach dem Anpressen des Wickelkopfs an das Gehäuse, und
- 6 eine schematische Ansicht beispielhaft ausgestalteter Wärmeaufnahmeelemente des Gehäuses der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine 1 weist ein Gehäuse 5 auf, wobei das Gehäuse 5 beispielsweise ein hohlzylinderförmiges Aufnahmeelement 10 und zwei Lagerschilde 11 umfasst. Die Lagerschilde 11 sind an Stirnseiten des Aufnahmeelements 10 angeordnet.
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Die elektrische Maschine 1 weist außerdem einen Stator 2 auf, wobei der Stator 2 schematisch auch in 3 dargestellt ist. Der Stator 2 weist einen Statorgrundkörper 3 auf, der hohlzylinderförmig ausgebildet ist. Der Statorgrundkörper 3 ist, insbesondere durch Einpressen, an dem Aufnahmeelement 10 gehalten. Durch den Statorgrundkörper 3 verlaufen Nuten, die sich entlang der Mittelachse 100 des Stators 2 erstrecken. Durch diese Nuten lassen sich elektrische Leiter einer elektrischen Wicklung führen, wobei besagte elektrische Leiter einen Wickelkopf 4 stirnseitig des Statorgrundkörpers 3 ausbilden. An dem Wickelkopf 4 treten die elektrischen Leiter aus dem Statorgrundkörper 3 aus und an einer anderen Stelle wiederum in den Statorgrundkörper 3 ein.
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Besonders vorteilhaft sind die elektrischen Leiter der elektrischen Wicklung des Stators 2 aus einem Material gefertigt, das auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphenplättchen basiert. Diese Werkstoffe weisen eine Biegeschlaffheit auf und verleihen dem Wickelkopf 4 textiles Verhalten. Der Wickelkopf 4 ist gegen die Lagerschilde 11 gepresst, insbesondere gegen einen Wandabschnitt 6 der Lagerschilde 11. Auf diese Weise ist erreicht, dass der Wickelkopf 4 Wärme an das Gehäuse 5, insbesondere an die Lagerschilde 11, übertragen kann, wodurch der Wickelkopf 4 entwärmt werden kann.
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Wie in 2 gezeigt ist, weist das Lagerschild 11, insbesondere der Wandabschnitt 6 des Lagerschilds 11, eine Isolationsbeschichtung 8 auf. Die Isolationsbeschichtung 8 dient zum elektrischen Isolieren der elektrischen Leiter des Wickelkopfs 8 von dem Gehäuse 5, insbesondere dem Lagerschild. Der Wandabschnitt 6 des Lagerschilds 11 weist außerdem mehrere Wärmeaufnahmeelemente 7 auf, die in den Wickelkopf 4 hineinragen, sowie radiale Begrenzungselemente 9, die den Wickelkopf 4 in radialer Richtung begrenzen. Auch diese Elemente des Wandabschnitts 6 weisen besagte Isolierbeschichtung 8 auf. Der Wickelkopf 4 ist damit elektrisch vollständig von dem Lagerschild 11 isoliert. Diese Isolierbeschichtung 8 ist optional und kann auch weggelassen werden, wenn die elektrischen Leiter des Wickelkopfes 4 bereits mit einer elektrischen Isolierung versehen sind.
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Durch die Wärmeaufnahmeelemente 7, die in den Wickelkopf 4 hineinragen, ist eine Kontaktfläche zwischen Wickelkopf 4 und dem Gehäuse 5, insbesondere dem Lagerschild 11, maximiert. Dadurch ist erreicht, dass eine größtmögliche Wärmeübertragung zwischen Lagerschild 11 und Wickelkopf 4 stattfinden kann. Somit ist eine optimale Entwärmung des Wickelkopfs 4 erreicht.
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Bei den Wärmeaufnahmeelementen 7 handelt es sich vorteilhafterweise um Rippen und/oder um Zapfen. Die Wärmeaufnahmeelemente 7 können insbesondere eine Form aufweisen, die das Eindringen der Wärmeaufnahmeelemente 7 in den Wickelkopf 4 im Herstellungsprozess der elektrischen Maschine begünstigt. Beispiele sind in den 6a, 6b und 6c gezeigt. Im Falle von Zapfen bedeutet dies insbesondere, dass die Zapfen konusförmig, im Sinne eines Kegels oder Kegelstumpfes (vgl. 6a), und/oder pyramidenförmig, im Sinne einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes auf Basis eines einfachen Polygons (vgl. 6b), ausgebildet sind. Im Falle von Rippen ist insbesondere vorgesehen, dass diese einen sich zum freien Ende hin verjüngenden Querschnitt aufweisen. In jedem Fall ist vorgesehen, dass eine Abmessung der Wärmeaufnahmeelemente 7 am freien Ende geringer ist als eine Abmessung der Wärmeaufnahmeelemente 7 unmittelbar am Lagerschild 11. Somit ist das Eindringen der Wärmeaufnahmeelemente 7 in den Wickelkopf 4 im Herstellungsprozess vereinfacht, wodurch die elektrische Maschine 1 einfach und aufwandsarm montiert werden kann. 6c zeigt beispielhaft einen Wandabschnitt 6 mit pyramidenstumpfförmigen Wärmeaufnahmeelementen 7.
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Die Begrenzungselemente 9 verhindern, dass der Wickelkopf 4 durch die Wärmeaufnahmeelemente 7 zu breit aufgefächert wird. Vielmehr ist durch die Begrenzungselemente 9 erreicht, dass der Wickelkopf 4 zu einer kompakten Einheit gepresst werden kann. Dadurch ist eine optimale Wärmeübertragung zwischen dem gesamten Wickelkopf 4 und dem Lagerschild 11 erreicht.
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Die 4 und 5 zeigen schematisch die Montage des Stators 2 an dem Gehäuse 5, insbesondere das Anpressen des Wickelkopfs 4 an dem Lagerschild 11. In 4 ist ein Zustand gezeigt, bevor der Wickelkopf 4 gegen das Lagerschild 11 gepresst wird. 5 zeigt den finalen Zustand, in dem der Stator 2 am Gehäuse 5 befestigt ist.
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Während der Montage des Stators 2 wird das Lagerschild 11 an dem Aufnahmeelement 10 befestigt. Dabei gelangen die Wärmeaufnahmeelemente 7 in Kontakt mit dem Wickelkopf 4 und dringen bei zunehmendem Anlegen des Lagerschilds 11 an den Wickelkopf 4 zunehmend in den Wickelkopf 4 ein. Das Hineinragen der Wärmeaufnahmeelemente 7 in den Wickelkopf 4 kann jedoch ausdrücklich auch auf andere Weise durch eine entsprechende Montage erreicht werden. Eine radiale Innenseite 12 des Wickelkopfs 4 gelangt dadurch beispielsweise in Kontakt mit einem radial inneren Begrenzungselement 9, während eine radiale Außenseite 13 des Wickelkopfs 4 beispielsweise in Kontakt mit einem radial äußeren Begrenzungselement 9 ist. Außerdem liegt der Wickelkopf 4 aufgrund der Formgebung durch den Wandabschnitt 6 flächig an dem Wandabschnitt 6 des Lagerschilds 11 an.
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Der Wickelkopf 4 kann somit durch den Wandabschnitt 6 zu einer kompakten Einheit zwischen Lagerschild 11 und Statorgrundkörper 3 zusammengepresst sein. Dabei dringen die Wärmeaufnahmeelemente 7 in den Wickelkopf 4 ein. In diesem Zustand ist eine optimale Wärmeübertragung von dem Wickelkopf 4 an das Gehäuse 5, insbesondere das Lagerschild 11, ermöglicht. Somit kann der Stator 2, insbesondere der Wickelkopf 4, optimal entwärmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3297139 A1 [0002]
- DE 102012206442 A1 [0002]
- WO 18177767 A1 [0002]
