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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator, wobei der Stator einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten Statornuten aufweist und wobei in den Statornuten Hairpins zur Bildung einer Hairpinwicklung angeordnet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Stator mit Hairpinwicklung für eine elektrische Maschine.
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Heutige Hochleistungs-Traktionsmaschinen für E-Fahrzeuge erzeugen aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte mehrere KW an Abwärme, welche sicher abgeführt werden muss. Kann nicht ausreichend gekühlt werden, muss die Leistung im Betrieb reduziert werden, damit die E-Maschinen keinen Schaden nehmen. Da diese E-Maschinen immer kompakter gebaut werden sollen und somit die Leistungsdichte dadurch bedingt weiter ansteigt, werden sie auch immer öfter mit höherer Leistung betrieben. Damit dies dauerhaft möglich ist, muss die Abwärme mit zusätzlichen Hilfseinrichtungen abgeführt werden.
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Elektrische Maschinen mit Hairpin-Technologie und entsprechenden Stator-Kühlsystemen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Aktuell werden E-Maschinen zumeist über eine äußere Statorkühlung gekühlt. Zusätzlich oder als alleinige Kühlung, wird auch vermehrt die Kühlung der Wickelköpfe mit Öl eingesetzt.
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In der
DE 10 2018 108 329 A1 ist eine elektrische Maschine beschrieben, bei der zum Zwecke der Bauraumoptimierung die Verwendung einer Hairpinwicklung vorgeschlagen wird.
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In der
DE10 2018 207 229 A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine mit einer Spule mit einer Spulenwicklung oder einer Hairpinwicklung und einem Temperatursensor beschrieben, wobei der Stator ein Wärmeleitelement aufweist und wobei der Temperatursensor in direktem oder in indirektem thermischen Kontakt mit dem Wärmeleitelement angeordnet ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine mit verbesserter Statorkühlung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Stator für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Rotor und einen Stator, wobei der Stator einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten Statornuten aufweist und wobei in den Statornuten Hairpins zur Bildung einer Hairpinwicklung angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist eine erste Gruppe von Hairpins eine zumindest bereichsweise profiliert ausgebildete Mantelfläche auf, derart, dass zwischen zwei in einer Statornut, insbesondere in radialer Richtung, unmittelbar benachbart angeordneten Hairpins ein in axialer Richtung verlaufend ausgebildeter Statorkühlkanal gebildet ist. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine Kühlung des Stators unmittelbar an der Quelle der Wärmeentstehung erfolgen kann, wodurch eine hocheffiziente Kühlung realisiert ist. Mit dieser Maßnahme kann die E-Maschine mit einer höheren Leistung dauerhaft betrieben werden und somit auch der Wirkungsgrad erhöht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Hairpins im Querschnitt gesehen quadratisch oder rechteckig ausgebildet sind. Es kann somit in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass zum einen ein hoher Kupferfüllgrad erreicht wird und zugleich auf einfache Weise durch profilierte Oberflächen benachbarter Hairpins Statorkühlkanäle erzeugt werden.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass der Stator in sich gekapselt ausgebbildet ist, derart, dass ein durch die Statorkühlkanäle geleitetes Kühlmedium sich ausschließlich innerhalb dieser Kapselung bewegt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin begründet, dass man zum einen auch alternative Kühlmedien, wie z.B. gasförmige Kühlmedien, verwenden kann und zum anderen eine trockene elektrische Maschine bereitstellen kann.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass die erste Gruppe von Hairpins zumindest auf zwei sich gegenüberliegenden Flächen eine profilierte Mantelfläche aufweist und das eine zweite Gruppe von Hairpins keine profilierte Mantelfläche aufweist und innerhalb einer Statornut sich Hairpins der ersten Gruppe von Hairpins und Hairpins der zweiten Gruppe von Hairpins unmittelbar benachbart abwechseln, so dass zwischen Hairpins der ersten Gruppe von Hairpins und Hairpins der zweiten Gruppe von Hairpins sich über die gesamte axiale Länge des Stators erstreckende Statorkühlkanäle ausgebildet sind. Somit kann insbesondere bewirkt werden, dass trotz der Profilierung nur jedes zweiten Hairpins in einer Statornut Statorkühlkanäle zwischen jedem benachbart angeordneten Hairpinpaar gebildet werden, aber nicht jeder Hairpin mit einer Oberflächenprofilierung versehen werden muss.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird allerdings lediglich auf eine Hairpinwicklung mit Hairpins ausschließlich vom Typ der ersten Gruppe von Hairpins abgestellt - eine zweite Gruppe von Hairpins ist hier nicht vorgesehen.
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Des Weiteren wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator umfasst einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten Statornuten und wobei in den Statornuten Hairpins zur Bildung einer Hairpinwicklung angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist eine erste Gruppe von Hairpins eine zumindest bereichsweise profiliert ausgebildete Mantelfläche auf, derart, dass zwischen zwei in einer Statornut unmittelbar benachbart angeordneten Hairpins ein in axialer Richtung verlaufend ausgebildeter Statorkühlkanal gebildet ist. Mit Vorteil werden die in radialer Richtung sich gegenüberliegenden Oberflächen der Hairpins entsprechend profiliert ausgebildet, weisen als beispielsweise i axialer Richtung verlaufende Oberflächennuten auf.
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Funktionsweise:
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Wenn man z.B. die Vierkant- Hairpins mit einem Profil versieht, werden im Einbau dadurch kleine Kanäle durch den Stator gebildet. Über diese Kanäle kann dann ein Kühlmedium durchgeleitet werden. Dieses Profil kann einfach bei der Drahtherstellung eingebracht werden.
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Der größte Vorteil dabei ist, dass die Wärme direkt an der Quelle (Hairpins) abgeführt wird und somit Hotspots in der Mitte der E-Maschine vermieden werden. Es muss die Abwärme nicht erst über verschiedenste Materialien, wie Isolierpapier, Statorbleche, Alugehäuse und dann erst an das Kühlmedium abgegeben werden. Es kann dadurch auf die äußere Statorkühlung verzichtet werden, was die Kosten für die E-Maschine reduziert und auch die Konstruktion vereinfacht. Ein weiterer Vorteil ist, dass man den Stator in sich kapseln könnte und somit ein alternatives Kühlmedium (es muss kein Öl sein) verwenden kann. Man könnte so wieder eine trockene E-Maschine realisieren, was weitere Vorteile mit sich bringt. Der Stator bildet dann eine Wärmesenke, wodurch er Wärme aus dem Rotor aufnehmen könnte und somit auf eine Rotorkühlung verzichtet werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele innerhalb des technisch machbaren frei miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine elektrische Maschine mit einem Teilausschnitt in schematischer Darstellung, und
- 2 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Stators mit Hairpinwicklung in schematischer Darstellung.
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1 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einem Teilausschnitt in schematischer Darstellung. Die elektrische Maschine 1 ist als Innenläufermaschine ausgebildet und umfasst einen hohlzylindrisch ausgebildeten Stator 3 sowie einen innerhalb der hohlzylindrischen Ausnehmung drehbar gelagert angeordneten Rotor 2. Der Statorkörper 4 weist eine Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter, radial nach innen gerichteter Statorzähne 5 sowie zwischen den Statorzähnen 5 gebildeten Statornuten 6 auf.
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2 zeigt einen Teilschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Stators 3 mit Hairpinwicklung in schematischer Darstellung. In der Darstellung links ist eine Statornut 6 mit herkömmlich ausgebildeter Hairpinwicklung 8 dargestellt. Dabei sind eine Mehrzahl von Hairpins 7 in radialer Richtung übereinanderliegend in der Statornut 6 angeordnet. Über ein Isolierpapier P sind die Hairpins 7 zu einem Paket zusammengefasst und gegenüber der im Statorbleckpaket ausgebildeten Statornut 6 isoliert.
In der rechten Darstellung ist eine Statornut 6 stellvertretend für die anderen Statornuten 6 des Stators 3 mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Hairpinwicklung dargestellt. Im Unterschied zu der Darstellung links (SdT) sind hier die Hairpins 7 einer ersten Gruppe von Hairpins 9 einer Hairpinwicklung 8 auf gegenüberliegenden Seiten profiliert ausgebildet, so dass zwischen in radialer Richtung unmittelbar benachbart angeordneten Hairpins 7 einer Hairpinwicklung 8 Statorkühlkanäle 10 gebildet sind.
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Die 2 zeigt ferner, dass die Hairpins 7 im Querschnitt gesehen rechteckig ausgebildet sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Statorkörper
- 5
- Statorzahn
- 6
- Statornut
- 7
- Hairpin
- 8
- Hairpinwicklung
- 9
- eine erste Gruppe von Hairpins
- 10
- Statorkühlkanal
- P
- Isolierpapier
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018108329 A1 [0004]
- DE 102018207229 A1 [0005]
