DE102020113555A1

DE102020113555A1 - Stator für eine elektrische Mehrphasen- Synchron- oder Asynchronmaschine, sowie elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102020113555A1
Application number: DE102020113555.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2040-05-20
Also published as: DE102020113555B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Mehrphasen-Synchron- oder Asynchronmaschine mit vorzugsweise mehr als zehn Phasen, umfassend ein Gehäuse (1), in welchem eine Mehrzahl von Hohlleiter-Stäben (8) assembliert ist, wobei die Hohlleiter-Stäbe (8) je eine parallel zu einer Stator-Längsachse (Ls) ausgerichtete Hohlleiter-Stab-Längsachse (LH) aufweisen und zum Leiten von elektrischem Strom zur Erzeugung eines Stator-Magnetfeldes ausgebildet sind, und wobei die Hohlleiter-Stäbe (8) jeweils in einem Hohlleiter-Stab-Innenraum (15) einen sich entlang der jeweiligen Hohlleiter-Stab-Längsachse (LH) erstreckenden Kühlmittel-Strömungskanal (7) aufweisen.Um bei einem solchen Stator eine im Vergleich zu den bekannten Systemen verbesserte Betriebssicherheit, Betriebseffizienz und Kühleffizienz zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass sich der Kühlmittel-Strömungskanal (7) der jeweiligen Hohlleiter-Stäbe (8) ausgehend von einem im Bereich eines ersten Gehäuse-Endes (21) angeordneten Kühlmittel-Einlass (2) bis zu einem im Bereich eines zweiten Gehäuse-Endes (22) angeordneten Kühlmittel-Auslass (3) erstreckt und von einem Kühlmittel durchströmbar ist.Ferner wird mit der Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere Mehrphasen- Synchron- oder Asynchronmaschine mit vorzugsweise zumindest zehn Phasen vorgeschlagen, die ausgebildet ist als rotatorisch oder linear betriebene Maschine, wobei die Maschine einen erfindungsgemäß ausgebildeten Stator umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Mehrphasen-Synchron- oder Asynchronmaschine mit vorzugsweise mehr als zehn Phasen, umfassend ein Gehäuse, in welchem eine Mehrzahl von Hohlleiter-Stäben assembliert ist, wobei die Hohlleiter-Stäbe je eine parallel zu einer Stator-Längsachse ausgerichtete Hohlleiter-Stab-Längsachse aufweisen und zum Leiten von elektrischem Strom zur Erzeugung eines Stator-Magnetfeldes ausgebildet sind, und wobei die Hohlleiter-Stäbe jeweils in einem Hohlleiter-Stab-Innenraum einen sich entlang der jeweiligen Hohlleiter-Stab-Längsachse erstreckenden Kühlmittel-Strömungskanal aufweisen.
Elektrische Maschinen wandeln mechanische in elektrische Energie (Generatorbetrieb) oder elektrische in mechanische Energie (Motorbetrieb) um. Derartige Maschinen weisen zumindest ein ruhendes und ein bewegliches Element auf. Bei rotierenden elektrischen Maschinen sind dies der Stator (ruhend) und der Rotor (beweglich). Die Drehmomentbildung erfolgt überwiegend elektromagnetisch durch Kraftwirkung im magnetischen Feld.
Kategorisieren lassen sich elektrische Maschinen in Bezug auf Ihre Wirkungsweise. Bekannte Kategorien stellen dabei Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen und Gleichstrommaschinen dar. Asynchronmaschinen kennzeichnen sich durch eine asynchron zu einem im Stator erzeugten magnetischen Drehfeld erfolgende Rotation des Rotors.
Eine Synchronmaschine umfasst in der Regel ebenfalls einen Stator und einen Rotor. Im Rotor wird ein konstantes Magnetfeld erzeugt, entweder unter Einsatz von Permanentmagneten oder durch eine elektromagnetische Fremderregung. Im Stator wird ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Bei einer Synchronmaschine läuft der Rotor synchron mit dem Drehfeld des zugehörigen Stators. Vom Prinzip her kann jede Synchronmaschine als elektrischer Motor und elektrischer Generator betrieben werden.
Die Verwendung von Synchronmaschinen ist jedoch nachteilig mit Blick auf hohe Kosten der dabei eingesetzten Permanentmagnete und einem zusätzlich notwendigen hohen Steuerungsaufwand. Entsprechend wurden in der Vergangenheit vermehrt Asynchronmaschinen mit verteilten Statorwicklungen, insbesondere zum Einsatz in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, vorgeschlagen. Derartige Aufbauten sind jedoch ihrerseits mit Nachteilen beim Herstellungsaufwand und hohen ohmschen Verlusten in den Statorwicklungen assoziiert. Ferner erfordern jene die Statorwicklungen bereitstellenden Drahtwicklungen einen erhöhten Fertigungsaufwand und sind mit Nachteilen in Bezug auf die Robustheit und Langlebigkeit verbunden.
Zur Überwindung dieser Nachteile wurden in der jüngsten Zeit asynchrone und synchrone Reluktanzmaschinen vorgeschlagen, die durch veränderte Konstruktion des Stators diese Nachteile beseitigen sollen. Anstelle von verteilten Statorwicklungen weist der Stator dabei eine Vielzahl von um seine Stator-Längsachse angeordnete Statorstäbe auf (Statorkäfig), die den zum Erzeugen des magnetischen Statorfelds erforderlichen Strom leiten und an einem Ende kurzgeschlossen sind.
Beispielsweise sind mehrphasige Statorkäfige für unterschiedliche Synchron- und Asynchronmaschinen bekannt, wobei der Statorkäfig aus einer Vielzahl von massiven Leitern besteht, die an einem axialen Ende kurzgeschlossen und an dem anderen axialen Ende bestrombar sind.
Aktuell leistungsstarke Realisierungen für Fahrzeug-Anwendungen im Kleinspannungsbereich (< 100 V dc) ersetzen die Wicklungen durch eine Vielzahl massiver Leiter (z.B. 60 Phasen Aluminium-Stäbe im Stern geschaltet zu einer Maschine mit einer Leistung von 130 kW bei 48 V dc). Dadurch wird die Maschinenkomplexität inhärent reduziert.
Nachteile der bei Stab-Systemen vorherrschenden großen Leiterquerschnitte (und damit verbundenen großen Ströme) werden im Vergleich zu konventionell gewickelten Statoren bzw. Antriebs-Systemen durch eine erhöhte Systemsicherheit, eine vereinfachte Konstruktionstopologie (verbunden mit verbesserter thermischer Stabilität, niedrigeren Ausfallraten und höherer Lebensdauer) sowie einem erhöhten Wirkungsgrad und einem damit verbundenen effizienteren Antrieb übertroffen.
Bei den bekannten Systemen wird zur Kühlung der massiven Statorstäbe beispielsweise vorgeschlagen, auf der den Statorstäben abgewandten Seite eines Kurzschlussrings des Stators einen Kühlkanal anzuordnen oder konventionell einen ein Statorgehäuse kühlenden Wassermantel vorzusehen. Derartig ausgebildete Kühleinrichtungen sind jedoch mit Nachteilen bei der Kühleffizienz verbunden. Da die mit einer solchen elektrischen Maschine erzeugbare Energiedichte neben der magnetischen Sättigung maßgeblich durch die Eigenerwärmung der stromdurchflossenen Leiter begrenzt wird, ist eine stetig gekühlte elektrische Maschine vielfach leistungsstärker als eine ungekühlte Maschine. Eine effiziente Kühlung ist zudem erstrebenswert, da sich dadurch die Lebensdauer der Maschinenkomponenten erhöht bzw. die Alterung vermindert.
Aus der DE 10 2015 012 914 A1 ist ein - im Vergleich zu den schon länger aus dem Stand der Technik bekannten Außenkühlungen - verbessertes Stator-Kühlsystem bekannt. So ist dort ein Stator für eine elektrische Maschine beschrieben, umfassend mehrere um eine Längsachse des Stators angeordnete Statorstäbe, welche jeweils zum Leiten eines ein magnetisches Statorfeld erzeugenden elektrischen Stroms ausgebildet sind. Dabei weisen die dortigen Statorstäbe Strömungskanäle auf, durch welche ein entsprechendes Kühlfluid in zwei Richtungen förderbar ist. Die jeweiligen Strömungskanäle weisen am Ende des Statorstabs einen Wendepunkt auf, an welchem das Kühlfluid seine Strömungsrichtung umkehrt und innerhalb desselben Statorstabes zurückströmt. Nachteilig erscheint dabei, dass sich das Kühlfluid durch die zweimalige Durchströmung des Statorstabes erwärmt und an Kühlvermögen verliert.
Entsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stator für eine elektrische Mehrphasen- Synchron- oder Asynchronmaschine mit vorzugsweise mehr als zehn Phasen bereitzustellen, der eine im Vergleich zu den bekannten Systemen verbesserte Betriebssicherheit, Betriebseffizienz und Kühleffizienz aufweist, wobei sich letztere positiv auf die Leistungseffizienz einer den Stator beinhaltenden elektrischen Maschine auswirkt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Stator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine bereitzustellen, deren Stator eine im Vergleich zu den bekannten Systemen verbesserte Betriebssicherheit, Betriebseffizienz und Kühleffizienz aufweist, wobei sich letztere positiv auf die Leistungseffizienz der Maschine auswirkt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 vorgeschlagen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen dem beanspruchten Stator und der elektrischen Maschine, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Die Ausdrücke „umfassen“ und „enthalten“ werden in dieser Offenbarung als offene Einschränkungen verwendet, die das Vorhandensein von nicht genannten Merkmalen nicht ausschließen. Ferner versteht es sich, dass die Verwendung der Termini „einer“ oder „eine“, d. h. in Singularform, in dieser gesamten Schrift eine Mehrzahl nicht ausschließt.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Mehrphasen-Synchron- oder Asynchronmaschine mit vorzugsweise mehr als zehn Phasen, umfassend ein Gehäuse, in welchem eine Mehrzahl von Hohlleiter-Stäben assembliert ist, wobei die Hohlleiter-Stäbe je eine parallel zu einer Stator-Längsachse ausgerichtete Hohlleiter-Stab-Längsachse aufweisen und zum Leiten von elektrischem Strom zur Erzeugung eines Stator-Magnetfeldes ausgebildet sind, und wobei die Hohlleiter-Stäbe jeweils in einem Hohlleiter-Stab-Innenraum einen sich entlang der jeweiligen Hohlleiter-Stab-Längsachse erstreckenden Kühlmittel-Strömungskanal aufweisen.
Der erfindungsgemäße Stator zeichnet sich dadurch aus, dass sich der Kühlmittel-Strömungskanal der jeweiligen Hohlleiter-Stäbe ausgehend von einem im Bereich eines ersten Gehäuse-Endes angeordneten Kühlmittel-Einlass bis zu einem im Bereich eines zweiten Gehäuse-Endes angeordneten Kühlmittel-Auslass erstreckt und von einem Kühlmittel durchströmbar ist.
Der mit der Erfindung vorgeschlagene Stator kann Bestandteil einer elektrischen Mehrphasen- Synchron- oder Asynchron Maschine sein, die grundsätzlich sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb verwendet werden kann. Der hier beschriebene Stator eignet sich zudem zum Einsatz in einer rotatorisch oder linear betriebenen Maschine. Soweit nicht ausdrücklich erwähnt, können die in den Unteransprüchen respektive der hiesigen Beschreibung aufgeführten Ausgestaltungsvarianten bzw. Merkmale sowohl zur Ausgestaltung eines in einer rotatorisch als auch in einer linear betriebenen Maschine eingesetzten Stators und somit auch der elektrischen Maschine als solcher verwendet werden. Mit der Erfindung wird eine verlängerte Lebensdauer des Stators bzw. der elektrischen Maschine gewährleistet. Die Kühlung der Hohlleiter-Stäbe erhöht zudem die Sicherheit im Falle von Notfallsituationen (beispielsweise eine Crashsituation eines mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine bzw. Stators versehenen Elektrofahrzeugs).
Wie erwähnt, ist der hier beschriebene Stator zum Einsatz in einer elektrischen Mehrphasenmaschine vorgesehen. Die Phasenzahl ist vorzugsweise größer als zehn. Mehrphasig kann an dieser Stelle aber insbesondere auch eine Anzahl von 16 bis 100 Phasen bedeuten.
Wie erwähnt umfasst der Stator ein Gehäuse, in welchem die erwähnten Hohlleiter-Stäbe assembliert, also angeordnet, sind. Unter einem „Gehäuse“ kann ein vollständig oder teilweise-geschlossenes Gehäuse zu verstehen sein. Ein Gehäuse kann Öffnungen für Funktionselemente, Kanäle, Kabel, Leitungen etc. aufweisen. Die Öffnungen können in unterschiedlicher Geometrie ausgebildet sein, beispielsweise kreisförmig oder polygonal. Derartige Gehäuseöffnungen können zudem verschließbar ausgebildet sein. Ferner ist es möglich die Öffnungen mit geeigneten Dichtungen abzudichten. Das Gehäuse kann aus Metall, beispielsweise einem Leichtmetall (vorteilhaft mit Blick auf eine damit einhergehende Gewichtsreduktion), aus Kunststoff oder einem Verbundwerkstoff gefertigt sein. Das Gehäuse kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein und dabei aus einer oder mehreren Komponenten bestehen. Vorzugsweise kann das Gehäuse aus elektrisch leitendem Material ausgebildet sein, wodurch ein Abschirmeffekt erzeugt werden kann. Jedoch kann es vorteilhaft sein, dass das Gehäuse nach innen, d.h. zu den inneren Komponenten der Elektronik oder der Hohlleiter-Stäbe eine elektrische Isolierung aufweist, beispielsweise in Form einer Beschichtung, eines Inlays, eine Materialschicht oder einer Innenhülse aufweist. Neben dem Stator kann das Gehäuse auch weitere Komponenten einer elektrischen Maschine beinhalten, beispielsweise das Lager für den Rotor, elektrische Komponenten (wie Stecker), mechanische Komponenten, Kabel, Leitungen und/oder Befestigungselemente.
Die Hohlleiter-Stäbe weisen, wie erwähnt, in einem Hohlleiter-Stab-Innenraum einen sich entlang der jeweiligen Hohlleiter-Stab-Längsachse erstreckenden Kühlmittel-Strömungskanal auf. Der Hohlleiter-Stab stellt dabei einen langgestreckten rohrförmigen Körper mit einem Mantel bereit, wobei der Mantel den Hohlleiter-Stab-Innenraum, bzw. den Kühlmittel-Strömungskanal umgibt und nach außen abgrenzt. Der Hohlleiter-Stab ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Metall, insbesondere Kuper oder Aluminium, oder einer Metalllegierung, gefertigt.
Im Falle einer Verwendung des Stators in einer rotatorisch betriebenen Maschine, umfasst die Maschine nebst dem Stator auch einen Rotor, wobei letzterer in Bezug zu dem Stator drehbar gelagert ist (Standard-Maschine als Motor oder Generator). Gleichsam ist es möglich, dass der Stator Teil einer linear betriebenen Maschine ist, beispielsweise eines Linearmotors. Im Gegensatz zu rotierenden Maschinen wird in Linearmotoren oft (aber nicht zwingend) der passive (nicht aktiv bestromte) Teil bewegt, während der aktiv bestromte Teil stillsteht, insbesondere um einen robusten und vereinfachten Aufbau (weniger bewegte aktive Teile) zu gewährleisten. Der Läufer (Rotor) kann bei einem Linearmotor als Translator oder Schlitten ausgebildet sein, der Stator hingegen kann als Laufbahn oder Schiene ausgebildet sein.
Der Stator umfasst eine Anordnung von Stator-Blechpaketen, die beispielsweise aus ferromagnetischem Stahlblech gefertigt sind. Die Stator-Blechpakete sind jeweils elektrisch voneinander isoliert und entlang eines Blechpaket-Abschnitts gestapelt. Anstelle der aus dem Stand der Technik bekannten Stator-Wicklungen, umfasst der Stator nach der Erfindung eine Mehrzahl von Hohlleiter-Stäben, die je eine parallel zu einer Stator-Längsachse ausgerichtete Hohlleiter-Stab-Längsachse aufweisen und zum Leiten von elektrischem Strom zur Erzeugung eines Stator-Magnetfeldes ausgebildet sind. Werden den Hohlleiter-Stäben elektrische Wechselströme zugeführt, so erzeugen diese ein rotierendes, orthogonal zu den Hohlleiter-Stäben verlaufendes Magnetfeld. Die bei der Bestromung der Hohlleiter-Stäbe entstehende Wärme kann mit der erfindungsgemäßen Konstruktion effizient abgeleitet und die Hohlleiter-Stäbe damit gekühlt werden, denn das Kühlmittel durchströmt mit den Hohlleiter-Stäben unmittelbar die sich erwärmenden Bauteile.
Unter dem erwähnten Kühlmittel-Einlass bzw. Kühlmittel-Auslass kann eine jede Vorrichtung verstanden werden, die dazu geeignet ist, Kühlmittel in die jeweiligen Kühlmittel-Strömungskanäle der Hohlleiter-Stäbe einzubringen. Der Kühlmittel-Einlass bzw. Kühlmittel-Auslass kann Bestandteil des Gehäuses sein, durch das Gehäuse unmittelbar ausgebildet sein oder mit diesem zusammenwirken. Unter dem Kühlmittel-Einlass bzw. Kühlmittel-Auslass kann beispielsweise auch ein Gehäuseabschnitt zu verstehen sein, in welchem das Kühlmittel in die jeweiligen Kühlmittel-Strömungskanäle ein- bzw. ausströmt. In diesem Bereich weisen die Hohlleiter-Stäbe eine entsprechende Ein- bzw. Austrittsöffnung für das Kühlmittel auf. Diese Ein- bzw. Austrittsöffnungen können einen Teil des Kühlmittel-Einlasses bzw. Kühlmittel-Auslasses bereitstellen oder mit diesem zusammenwirken, beispielsweise verbunden sein. Auch können die Ein- bzw. Austrittsöffnungen der jeweiligen Hohlleiter-Stäbe in eine dem Kühlmittel-Einlass bzw. Kühlmittel-Auslass zugehörige Einheit münden. Die Ein- bzw. Austrittsöffnungen können offen ausgebildet oder mit einer Durchtrittseinheit verschlossen sein. Die Durchtrittseinheit kann flexibel (je nach Bedarf) geöffnet und verschlossen werden. Die Durchtrittseinheit kann nach Art einer Sperrklappe oder eines Sperrventils ausgebildet sein. Auch eine Ausbildung in Form einer Membran, eines Filters oder eines Siebes ist vorstellbar, wobei letztere auch zusätzlich vorgesehen sein können, um einen Eintrag ungewünschter Substanzen wie Schmutz oder Schmiermittel in die Hohlleiter-Stäbe zu vermeiden.
Der Kühlmittel-Einlass bzw. Kühlmittel-Auslass ist bezogen auf einen Strömungskreislauf des Kühlmittels vorzugsweise als Teil einer Kreislaufanordnung angeordnet und ausgebildet. Dies meint, dass das Kühlmittel über den Kühlmittel-Einlass in die von den Hohlleiter-Stäben ausgebildeten Strömungskanäle einströmt und im Bereich des Kühlmittel-Auslasses aus diesen austritt. Das dort austretende Kühlmittel weist durch die Wärmeabfuhr von den bestromten Hohlleiter-Stäben eine höhere Temperatur auf als am Kühlmittel-Einlass. Entsprechend kann das Kühlmittel nach einer entsprechenden Verweilzeit in einem Leitungssystem, nach Durchströmen durch einen Wärmetauscher oder einer anderweitigen Einrichtung zur Abgabe der von den Hohlleiter-Stäben aufgenommenen Wärmeenergie erneut in Richtung des Kühlmittel-Einlasses rückgeführt werden (z.B. unter Einsatz einer Pumpe oder eines Pumpensystems), um die Hohlleiter-Stäbe bzw. die Strömungskanäle erneut zu durchströmen. Eine kreislaufbasierte bzw. regenerative Kühlmittelführung ist umweltfreundlich und bezogen auf die Durchsatzmenge des Kühlmittels kostenschonend. Eine solche auf den Strömungsweg des Kühlmittels bezogene Kreislaufanordnung bzw. ein solcher Strömungskreislauf ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Denn es kann auch vorgesehen sein, dass das Kühlmittel nach einmaligem Durchströmen der Hohlleiter-Stäbe bzw. Strömungskanäle und der dabei stattfindenden Wärmeaufnahme, nicht erneut zum Kühlmittel-Einlass rückgeführt wird. Dies kann den den technischen Aufwand zur Kühlung des Kühlmittels nach Wärmeaufnahme in den Hohlleiter-Stäben reduzieren.
Nachfolgend seien die in den Unteransprüchen angegebenen vorteilhaften Ausgestaltungen sowie weitere vorteilhafte (oder mögliche) Ausgestaltungen des mit der Erfindung vorgeschlagenen Stators bzw. der vorgeschlagenen elektrischen Maschine im Detail beschrieben.
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kühlmittel-Einlass in Form einer Zulaufkammer ausgebildet ist, in welche je ein dem ersten Gehäuse-Ende zugewandter Abschnitt der Kühlmittel-Strömungskanäle mündet. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kühlmittel-Auslass in Form einer Ablaufkammer ausgebildet ist, in welche je ein dem zweiten Gehäuse-Ende zugewandter Abschnitt der Kühlmittel-Strömungskanäle mündet. Dies kann dahingehend verwirklicht sein, dass an dem ersten Gehäuse-Ende eine Zulaufkammer ausgebildet ist und an dem zweiten Gehäuse-Ende eine Ablaufkammer, wobei sämtliche Strömungskanäle in die genannten Kammern münden. Die Zulaufkammer und/oder Ablaufkammer kann/können unmittelbarer Bestandteil des Gehäuses sein, d.h. von diesem ausgebildet sein. Ferner kann/können die Zulaufkammer und/oder Ablaufkammer in Form eines Gehäuseeinsatzes in das Gehäuse integriert sein. Auch ist es möglich, dass die Zulaufkammer und/oder Ablaufkammer ein separates Gehäuse umfasst, welches mit dem Gehäuse des Stators verbunden ist. Die Zulaufkammer und die Ablaufkammer haben jeweils zumindest eine Zulaufrespektive Ablauföffnung, durch welche das Kühlmittel in die jeweiligen Kammern ein- bzw. ausströmen kann. Es können jeweils auch mehrere dieser Öffnungen vorgesehen sein, beispielsweise um eine gleichmäßigere Kühlmittelverteilung in den Kammern zu gewährleisten. Im Mündungsbereich der Hohlleiter-Stäbe und der Zulaufkammer bzw. Ablaufkammer kann es vorteilhaft sein, wenn die Hohlleiter-Stäbe materialbündig mit einer Innenwandung der jeweiligen Kammern abschließen, d.h. nicht in die Kammern hineinragen. Dadurch wird ein Rückstau von Kühlmittel in den Kammern vermieden bzw. die Verweilzeit des Kühlmittels reduziert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bezogen auf die Stator-Längsachse zwischen der Zulaufkammer und der Ablaufkammer in einem Blechpaket-Abschnitt elektro-magnetisch wirkende Stator-Blechpakete angeordnet sind, wobei die Stator-Blechpakete derart angeordnet sind, dass die Hohlleiter-Stäbe jeweils zumindest teilweise von zumindest einem Stator-Blechpaket umgeben sind. Für eine hinreichende Funktionsweise des Stators bzw. einer zugehörigen elektrischen Maschine ist es jedoch notwendig, dass die Hohlleiter-Stäbe zu einem überwiegenden Teil vom Blechmaterial der Stator-Blechpakete umgeben ist. Dabei kann ein Hohlleiter-Stab von einem oder mehreren Stator-Blechpaketen umgeben sein. Die konkrete Anordnungsgeometrie der Stator-Blechpakete ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, da diese bei nahezu jedweder Anordnungsgeometrie der Stator-Blechpakete in dem Blechpaket-Abschnitt Verwendung finden kann, also von dieser unabhängig ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hohlleiter-Stäbe in Bezug zu der Stator-Längsachse konzentrisch oder nebeneinander angeordnet sind. Im Falle einer rotatorisch betriebenen Maschine sind die Hohlleiter-Stäbe konzentrisch zur Stator-Längsachse angeordnet. Dies meint, dass die Hohlleiter-Stäbe mit Blick auf eine orthogonal zur Stator-Längsachse stehende Ebene zirkular um die Stator-Längsachse verteilt sind. Die Hohlleiter-Stäbe können in einem oder mehreren konzentrischen (zirkularen) Ringen angeordnet sein, wobei die Ringe jeweils einen unterschiedlichen Abstand zur Stator-Längsachse aufweisen. Die Hohlleiter-Stäbe sind beabstandet zueinander angeordnet. Im Falle einer linear betriebenen elektrischen Maschine (z.B. als Linearmotor) sind die Hohlleiter-Stäbe in Bezug zur Stator-Längsachse nebeneinander angeordnet. In beiden Fällen sind die Hohlleiter-Stäbe jedoch parallel zur Stator-Längsachse positioniert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bezogen auf die Stator-Längsachse zwischen der Zulaufkammer und dem Blechpaket-Abschnitt eine zur Bestromung der Hohlleiter-Stäbe eingerichtete Platine mit elektronischen Bauelementen, also eine Leiterplatte, angeordnet ist, wobei die Hohlleiter-Stäbe durch die Platine, insbesondere durch Lochöffnungen der Platine, elektrisch kontaktierend hindurchgeführt sind. Die Platine dient vornehmlich dem Zweck der elektrischen Hohlleiter-Stab Bestromung und weist elektronische Bauelemente auf, die der Platine die Funktion eines elektrischen Strom- und/oder Frequenzumrichters verleihen, wodurch eine DC- („direct current“) Stromversorgung der Platine in AC- („alternating current“) Ströme umgewandelt wird, welche den Hohlleiter-Stäben zugeleitet werden. Betont sei, dass die Platine bzw. Leiterplatte samt der genannten elektronischen Bauelemente gemeinsam mit einer „embedded“ Software die Funktion des Strom- und/oder Frequenzumrichters ausbildet. Die elektrische Kontaktierung der Hohlleiter-Stäbe kann durch eine leitende Verbindung zwischen Hohlleiter-Stäben und Platine im Bereich der Lochöffnungen verwirklicht sein. Alternativ aber auch über Kontaktelemente im Bereich einer Oberfläche der Platine (außerhalb der Lochöffnungen). Die Kontaktierung (unabhängig von der Position) kann durch Lötkontakte, stoffschlüssige Verbindung, Anformung, oder über elektrische Kontaktierelemente verwirklicht sein. Die unmittelbare Hindurchführung der von dem Kühlmittel durchströmbaren Hohlleiter-Stäbe durch die Platine ermöglicht einerseits die zur Bestromung notwendige Kontaktierung der Hohlleiter-Stäbe, andererseits aber auch eine mittelbare Kühlung der Platine durch die Hohlleiter-Stäbe. Entsprechend kann auf eine zusätzliche Einheit zur Kühlung der Platine verzichtet werden, was die Kosten des Stators reduziert. Da die Platine in Nähe der Zulaufkammer angeordnet ist, weist das die Hohlleiter-Stäbe durchströmende Kühlmittel im Bereich der Platine noch eine relativ geringe Temperatur auf (im Vergleich zur Temperatur des Kühlmittels bei Eintritt in die Ablaufkammer. Entsprechend kann die in der Platine bzw. den darauf angeordneten elektronischen Bauelementen entstehende Wärme in Richtung der Hohlleiter-Stäbe und damit an das Kühlmittel abgegeben werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bezogen auf die Stator-Längsachse zwischen der Platine und dem Blechpaket-Abschnitt ein Wärmeableitelement angeordnet ist, wobei das Wärmeableitelement mit einer dem ersten Gehäuse-Endes zugewandten Seite an der Platine anliegt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Hohlleiter-Stäbe durch das Wärmeableitelement, insbesondere durch Lochöffnungen des Wärmeableitelements, hindurchgeführt sind. Durch ein solches Wärmeableitelement kann die in der Platine bzw. den auf dieser angeordneten und verbauten elektronischen Bauelementen entstehende Wärme noch effizienter in Richtung der Hohlleiter-Stäbe bzw. des die Hohlleiter-Stäbe durchströmenden Kühlmediums abgegeben werden.
Durch jene Ausgestaltung, wonach das Wärmeableitelement mit seiner dem ersten Gehäuse-Ende zugewandten Seite an der Platine anliegt, wird der Oberflächenkontakt zwischen Platine und Wärmeableitelement vergrößert. Damit einher geht eine verbesserte und effizientere Wärmeabfuhr in Richtung der Hohlleiter-Stäbe. Der Kontakt des Wärmeableitelements zu den Hohlleiter-Stäben ist ebenfalls gewährleistet (Hindurchführung der Hohlleiter-Stäbe durch das Wärmeableitelement, wodurch ebenfalls eine Wärmeableitung in Richtung der Hohlleiter-Stäbe gewährleistet ist).
Sowohl die Platine als auch das Wärmeableitelement können - insbesondere bei einer rotatorisch ausgebildeten elektrische Maschine - nach Art einer Ringscheibe bzw. Lochscheibe ausgebildet sein. Das Wärmeableitelement ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Das Wärmeableitelement kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein. Vorteilhaft ist, wenn das Wärmeableitelement gleichzeitig elektrisch isolierend ausgebildet ist, wodurch die Betriebssicherheit und ungewollte Kurzschlüsse zwischen Platine und Wärmeableitelement vermieden werden können. Dabei kann das Material des Wärmeableitelement als solches elektrisch isolierend sein, oder aber das Wärmeableitelement ist mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen. Auch kann zwischen Wärmeableitelement und Platine eine elektrisch isolierende Materialschicht angeordnet sein (beispielsweise eine an späterer Stelle noch zu erwähnende Wärmeleitpaste). Zusätzlich kann das Wärmeableitelement als Barriere dienen, die einem möglichen Feuchtigkeits-, Flüssigkeits-, oder Schmutzeintrag in Richtung der Platine oder in Richtung des Stator-Blechpakets entgegenwirkt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur verbesserten Wärmeableitung zwischen dem Wärmeableitelement und der Platine eine Wärmeleitschicht, insbesondere umfassend eine Wärmeleitpaste, angeordnet ist, und dass zur verbesserten Wärmeableitung zwischen dem Wärmeableitelement und den durch das Wärmeableitelement hindurchgeführten Hohlleiter-Stäben, insbesondere im Bereich der Lochöffnungen des Wärmeableitelements, eine Wärmeleitschicht, insbesondere umfassend eine Wärmeleitpaste, angeordnet ist. Die Wärmeleitpaste kann gleichzeitig elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Ferner kann die Wärmeleitpaste die Aufgabe eines Dichtmaterials übernehmen und abdichtend ausgebildet sein gegenüber Feuchtigkeit, Flüssigkeiten, Schmiermitteln, Schmutz, Staub und/oder anderweitigen Verunreinigungen. Entsprechend kann eine Wärmeleitpaste ausgewählt sein, die für eine oder mehrere der genannten Substanzen undurchlässig ist. Auch ist es möglich, dass die Wärmeleitpaste einen adhäsiven Effekt auf die jeweiligen Verbindungspartner (z.B. Platine und Wärmeableitelement oder Wärmeableitelement und Hohlleiter-Stäbe) ausübt und somit eine feste und sichere Verbindung zwischen den Komponenten bereitstellt bzw. einen Beitrag dazu leistet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Platine baulich ein- oder mehrteilig ausgebildet ist, wobei ein erster Platinenteil der ein- oder mehrteilig ausgebildeten Platine elektronische Bauelemente umfasst, die einer Leistungselektronik, insbesondere einer Funktion eines elektrischen Strom- und/oder Frequenzumrichters zuzuordnen sind, und wobei ein zweiter Platinenteil der ein- oder mehrteilig ausgebildeten Platine elektronische Bauelemente umfasst, die einer Steuerungs- und/oder Regelungselektronik zuzuordnen sind. Bei einer baulich einteiligen Ausbildung der Platine ist diese aus einem einstückigen Platinenbauteil gefertigt, auf welchem sowohl der erste Platinenteil (umfassend elektronische Bauelemente, die der Leistungselektronik, insbesondere dem Strom- und/oder Frequenzumrichter zuzuordnen sind) als auch der zweite Platinenteil (umfassend elektronische Bauelemente, die einer Steuerungs- und/oder Regelungselektronik zuzuordnen sind) vorgesehen bzw. angeordnet sind. In diesem Falle sind erster und zweiter Platinenteil zwar baulich auf einer einteiligen Platine angeordnet, funktional können sich die Platinenteile aber unterscheiden. Der erste und zweite Platinenteil können elektrisch voneinander isoliert oder elektrisch miteinander gekoppelt sein. Auch signaltechnisch können beide Platinenteile miteinander gekoppelt sein. Der erste und zweite Platinenteil können in festgelegten Bereichen bzw. Abschnitten auf der einteiligen Platine angeordnet sein. Die Position des ersten und zweiten Platinenteils können auch durch entsprechende Markierungen auf der Platine kenntlich gemacht sein.
Unter einer mehrteiligen Ausbildung ist insbesondere eine zweiteilige Ausbildung zu verstehen. Bei einer baulich mehrteiligen Ausbildung der Platine können der funktional erste und zweite Platinenteil insbesondere auf den baulich voneinander getrennen Platinenteilen angeordnet sein. Insbesondere kommt eine zweiteilige Ausbildung der Platine in Betracht, wobei die beiden Platinenteile miteinander verbunden bzw. aneinander befestigt sein können. Die Platine kann sich beispielsweise aus zwei Platinen-Platten zusammensetzen, die zu einem Platinen-Stack zusammengefasst sind. Unter einem „Stack“ können übereinander gestapelte Platinen-Platten verstanden werden. Die Platinen-Platten können scheibenförmig ausgebildet sein. Auch bei einer derartigen Ausgestaltung können die Platinen-Platten elektrisch leitend miteinander verbunden sein bzw. es können Mittel vorhanden sein, die eine elektrische bzw. signaltechnische Verbindung von auf den unterschiedlichen Platinen-Platten angeordneten elektronischen Bauelementen gewährleisten. Auch bei einer mehrteiligen, insbesondere zweiteiligen, Ausbildung der Platine (z.B. nach Art eines Stacks von mehreren Platinen-Platten) ist eine ausreichende Wärmeabfuhr von auf den Platinen-Platten angeordneten elektronischen Bauelementen bzw. der Platine gewährleistet, denn vorzugsweise sind die Hohlleiter-Stäbe (die von dem Kühlmittel durchströmbar sind) durch sämtliche Platinen-Platte einer solchen Anordnung hindurchgeführt. Auch dann kann also entstehende Wärme an die Hohlleiter-Stäbe abgegeben werden. Die Platine (unabhängig davon, ob diese ein- oder mehrteilig ausgebildet ist) kann ein Platinenmodul bereitstellen, welches in den Stator bzw. das Statorgehäuse flexibel ein- und ausgebaut werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest einer, insbesondere sämtliche, der Hohlleiter-Stäbe in einem durch das Wärmeableitelement hindurchgeführten Abschnitt des Hohlleiter-Stabs eine Messeinrichtung zur Messung einer elektrischen Spannung aufweist, die proportional zu einem zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Phasenstrom ist. Bei der Messeinrichtung kann es sich um einen an dem jeweiligen Hohlleiter-Stab ausgebildeten Mess-Shunt handeln.
Dabei kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Hohlleiter-Stab in dem durch das Wärmeableitelement hindurchgeführten Abschnitt zumindest einen Teil der Messeinrichtung unmittelbar ausbildet. Der die Messeinrichtung ausbildende Abschnitt des Hohlleiter-Stabs ist dabei außerhalb des Stator-Blechpakets angeordnet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Hohlleiter-Stab in dem durch das Wärmeableitelement hindurchgeführten Abschnitt, also jenem die Messeinrichtung ausbildenden Abschnitt, umfasst:

a. einen Verjüngungsabschnitt, der zumindest in einem Radialabschnitt und zumindest entlang eines sich entlang der Hohlleiter-Stab-Längsachse erstreckenden Teillängenabschnitts eine im Vergleich zu einem den Strömungskanal im Bereich des Blechpaket-Abschnitts umgebenden Mantelabschnitt geringere Wandstärke aufweist;
b. einen dem Verjüngungsabschnitt gegenüberliegenden Zapfen, der mit der Platine verbindbar ist und dazu ausgebildet ist, eine in dem Hohlleiter-Stab vorliegende elektrische Spannung abzugreifen.

Im Bereich des Verjüngungsabschnitts ist der Innendurchmesser des Strömungskanals äquivalent zum Innendurchmesser des Hohlleiter-Stabs im Bereich des Blechpakets. Dies meint, dass der Innendurchmesser (bzw. Kanaldurchmesser) konstant ist. Wie erwähnt, ist zumindest über einen Radialabschnitt und einen Teillängenabschnitt entlang der Hohlleiter-Stab-Längsachse die Wandstärke des Hohlleiter-Stabs reduziert. Dies kann beispielsweise durch eine erste (nach außen offene) Materialausnehmung in der Wand des Hohlleiter-Stabs verwirklicht sein, welchem diametral eine zweite Materialausnehmung gegenüberliegt, die jedoch radial nach außen von dem genannten Zapfen begrenzt ist. Der Zapfen erstreckt sich entlang der Hohlleiter-Stab-Längsachse zumindest über die Länge der ersten Materialausnehmung, kann jedoch auch eine größere Längenausdehnung in Richtung der Platine aufweisen. Zwischen dem Zapfen und der den Strömungskanal in diesem Bereich abgrenzenden Wandung ist ein Spalt, beispielsweise ein Luftspalt, vorgesehen. Der Spalt kann aber auch gleichsam zumindest teilweise mit elektrisch isolierendem Material (z.B. Wärmeleitpaste) gefüllt sein. An einem der Platine zugewandten Ende des Zapfens, ist dieser über ein Kontaktmittel mit der Platine bzw. einem darauf angeordneten elektronischen Bauelement verbunden. Das Kontaktmittel kann beispielsweise ein SMT Federkontakt o.ä. sein.
Entlang der Hohlleiter-Stäbe strömen beim Betrieb einer dem Stator zugehörigen elektrischen Maschine ac Phasenströme. Die Hohlleiter-Stäbe stellen also ac Phasen-Lastpfade oder Hochstrompfade für die genannten ac Phasenströme dar. Die Kenntnis der in den Hohlleiter-Stäben vorherrschenden Phasenströme ist von entscheidender Bedeutung für die Überwachung (Überstrom, Kurzschlüsse) und Diagnose beim Betrieb einer den Stator beinhaltenden elektrischen Maschine. Mit der Kenntnis der vorherrschenden Phasenströme lassen sich Maschinenausfälle, Beschädigungen oder ein Fehlbetrieb vermeiden. Entsprechend wird dadurch die Betriebssicherheit des Stators und der zugehörigen elektrischen Maschine erhöht.
Da die geometrische Summe der Phasenströme (also die Summe aller in den einzelnen Hohlleiter-Stäben vorherrschenden Phasenströme) proportional zum erzeugten Magnetfeld sowie zur erzeugten mechanischen Kraft bzw. zum erzeugten Drehmoment ist, lassen sich auch Aussagen zur Maschinenleistung etc. ableiten. Phasenströme werden typischerweise über Shunt-Widerstände in messbare Spannungen umgewandelt. Der Shunt-Widerstand wird vorliegend durch den genannten Verjüngungsabschnitt bereitgestellt. Durch die Verjüngung weist der Hohlleiter-Stab im Bereich des Verjüngungsabschnitts einen erhöhten elektrischen Widerstand auf. An jenen Stellen größeren Durchmessers weist der Hohlleiter-Stab einen geringen elektrischen Widerstand auf. Der Verjüngungsabschnitt ist an einer außerhalb des Blechpakets vorgesehenen Stelle des jeweiligen Hohlleiter-Stabs ausgebildet, nahe der vorangehend beschriebenen Platine. Die Verjüngung des Hohlleiter-Stabs wird dabei so gewählt, dass der aus der Verjüngung bzw. der Querschnittsverkleinerung resultierende elektrische Widerstand eine messbare Phasenstrom-proportionale Spannung erzeugt, die letztlich über den beschriebenen Zapfen abgegriffen werden kann.
Das Vorsehen der vorangehend beschriebenen Messeinrichtung erhöht die Betriebssicherheit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Justierbarkeit einer den Stator beinhaltenden elektrischen Maschine.
Wie erwähnt, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch durch eine elektrische Maschine, insbesondere Mehrphasen- Synchron- oder Asynchronmaschine mit vorzugsweise zumindest zehn Phasen gelöst. Die elektrische Maschine kann ausgebildet sein als rotatorisch oder linear betriebene Maschine, umfassend einen nach der Erfindung ausgebildeten Stator.
Im Falle einer rotatorisch betriebenen Maschine (z.B. einer Drehstrommaschine) einen nach der Erfindung ausgebildeten Stator sowie einen in Bezug zu dem Stator drehbar gelagerten Rotor.
Wie schon eingangs beschrieben, kann im Falle einer linear betriebenen Maschine, beispielsweise einem Linearmotor, im Gegensatz zu einer rotierenden Maschine vorgesehen sein, dass der aktiv bestromte Teil bewegt wird, während der passive Teil stillsteht. Gleichsam kann aber vorgesehen sein, dass der passive Teil (also der nicht aktiv bestromte Teil) bewegt wird.
Die erfindungsgemäß dargestellte elektrische Maschine kann Bestandteil eines vollständig oder teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sein. Beispielsweise, aber nicht ausschließlich, kann es sich bei dem Fahrzeug um einen PkW, einen LkW, ein Nutzfahrzeug, ein Agrarfahrzeug, ein Baustellenfahrzeug, einen Gabelstapler, ein motorisiertes Zweirad, ein Elektroboot, eine Yacht, ein Flugzeug, einen Schienenfahrzeug oder ein elektrisches Unterseeboot handeln. Ein solches elektrisches oder teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug umfasst zumindest eine erfindungsgemäß ausgebildete elektrische Maschine als Teil eines elektrischen Antriebs. Letzterer ist zum Antrieb von zumindest einem Vortriebsaktuator, zum Beispiel einem Rad, des elektrischen Fahrzeugs vorgesehen.
Die elektrische Maschine bzw. der beschriebene Stator eignet sich insbesondere zur Verwendung in Fahrzeugsystemen mit einer von einer Batterie bereitgestellten Spannungsversorgung < 100 V dc. Gleichwohl ist aber auch eine Verwendung bei höheren Spannungen möglich. Bei dem genannten Kühlmittel kann es sich beispielsweise um ein Wasser-Glykol Gemisch handeln. Gleichsam kommen aber auch andere Wasser-Kohlenwasserstoffgemische, Kohlenwasserstoffe bzw. Kohlenwasserstoffgemische als Kühlmittel in Betracht. Die genannten Kohlenwasserstoffe können linear, verzweigt oder funktionalisiert sein. Das Kühlmittel kann unter Einsatz einer oder mehrerer Pumpen durch die Hohlleiter-Stäbe bzw. die zugehörigen Strömungskanäle befördert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stators für eine rotatorisch betriebene elektrische Maschine;
2 eine perspektivische Ansicht des Stators nach 1 samt einer eine Leistungs- und Steuerungselektronik beinhaltenden Platine;
3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stators für eine linear betriebene elektrische Maschine;
4 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Stators samt Darstellung der Flussrichtung eines Kühlmittels;
5 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer dem erfindungsgemäßen Stator zugehörigen Platine;
6 eine perspektivische Teilansicht im Bereich einer an einem Hohlleiter-Stab ausgebildeten Messeinrichtung zur Messung der in einem Hohlleiter-Stab vorliegenden Spannung in einem erfindungsgemäßen Stator;
7 eine schematische Darstellung der Messeinrichtung samt Ersatzschaltbild.

In der 1 ist in einer perspektivischen Darstellung ein nach der Erfindung ausgebildeter Stator schematisiert wiedergegeben. Der dargestellte Stator eignet sich zur Verwendung in einer rotatorisch betriebenen elektrischen Maschine. Der Stator umfasst ein Gehäuse 1, in welchem eine Mehrzahl von Hohlleiter-Stäben 8 assembliert ist. Im vorliegenden Beispiel ist eine Anzahl von 30 Hohlleiter-Stäben 8 in dem Stator angeordnet. Die Hohlleiter-Stäbe 8 sind dabei konzentrisch zu einer Stator-Längsachse Ls angeordnet. Wie dargestellt, weisen die Hohlleiter-Stäbe 8 jeweils eine parallel zu einer Stator-Längsachse Ls ausgerichtete Hohlleiter-Stab-Längsachse L_H auf. Erkennbar ist zudem, dass die Hohlleiter-Stäbe 8 - wie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt - beabstandet zueinander angeordnet sind und von elektromagnetisch wirkenden Stator-Blechpaketen 10 umgeben sind. Die Hohlleiter-Stäbe 8 sind zum Leiten von elektrischem Strom zur Erzeugung eines Stator-Magnetfeldes ausgebildet. Bei dem in 2 dargestellten Stator handelt es sich um einen Stator mit integrierter Inverter- und/oder Wechselrichter Leistungselektronik. Die Elektronik ist auf einer Platine 11 (vgl. z.B. 2) angeordnet und sorgt u.a. für die Bestromung der Hohlleiter-Stäbe 8.
3 zeigt einen für eine linear betriebene elektrische Maschine vorgesehenen Stator. Zu erkennen ist, dass bei einer derartigen Ausbildung die Hohlleiter-Stäbe 8 (hier 16 an der Zahl) in Bezug zu der Stator-Längsachse Ls nebeneinander angeordnet sind. Auch hier sind die Hohlleiter-Stab-Längsachsen L_H parallel zur Stator-Längsachse Ls angeordnet und jeweils von Stator-Blechpaketen 10 umgeben.
Wie insbesondere in der schematischen Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Stators nach 4 zu erkennen ist, weisen die Hohlleiter-Stäbe 8 jeweils in einem Hohlleiter-Stab-Innenraum 15 einen sich entlang der jeweiligen Hohlleiter-Stab-Längsachse L_H erstreckenden Kühlmittel-Strömungskanal 7 auf.
Der Kühlmittel-Strömungskanal 7 der jeweiligen Hohlleiter-Stäbe 8 erstreckt sich ausgehend von einem im Bereich eines ersten Gehäuse-Endes 21 angeordneten Kühlmittel-Einlass 2 bis zu einem im Bereich eines zweiten Gehäuse-Endes 22 angeordneten Kühlmittel-Auslass 3. Im Betrieb wird der Kühlmittel-Strömungskanal 7 von einem Kühlmittel durchströmt. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist durch die Pfeile P1 und P2 angedeutet. Der Kühlmittel-Einlass 2 ist in Form einer Zulaufkammer 4 ausgebildet, in welche je ein dem ersten Gehäuse-Ende 21 zugewandter Abschnitt der Kühlmittel-Strömungskanäle 7 mündet. Analog ist der Kühlmittel-Auslass 3 in Form einer Ablaufkammer 5 ausgebildet, in welche je ein dem zweiten Gehäuse-Ende 22 zugewandter Abschnitt der Kühlmittel-Strömungskanäle 7 mündet. Die 4 illustriert ferner, dass die elektro-magnetisch wirkenden Stator-Blechpakete 10 bezogen auf die Stator-Längsachse Ls zwischen der Zulaufkammer 4 und der Ablaufkammer 5 in einem Blechpaket-Abschnitt 30 angeordnet sind.
Erkennbar ist in der 4 ferner, dass die Platine 11 bezogen auf die Stator-Längsachse Ls zwischen der Zulaufkammer 4 und dem Blechpaket-Abschnitt 30 angeordnet ist. Auf der Platine sind elektronische Bauelemente 17 angeordnet. Wie in der 4, aber auch in den 2 und 3 dargestellt, sind die Hohlleiter-Stäbe 8 durch die Platine 11, insbesondere durch Lochöffnungen der Platine 11, elektrisch kontaktierend hindurchgeführt.
Bezogen auf die Stator-Längsachse Ls ist zwischen der Platine 11 und dem Blechpaket-Abschnitt 30 ein Wärmeableitelement 12 (z.B. aus Aluminium) angeordnet, wobei das Wärmeableitelement 12 mit einer dem ersten Gehäuse-Ende 21 zugewandten Seite an der Platine 11 anliegt. Auch durch das Wärmeableitelement 12 sind die Hohlleiter-Stäbe 8 hindurchgeführt, beispielsweise durch Lochöffnungen. Da das Wärmeableitelement 12 sowohl mit der Platine 11 als auch mit den gekühlten Hohlleiter-Stäben 8 wärmeleitend verbunden ist, kann über das Wärmeableitelement 12 von der Platine 11 bzw. den dort vorgesehenen elektronischen Bauelementen 17, 18 ausgehende Wärme in Richtung der Hohlleiter-Stäbe 8 abgeleitet werden. Zur verbesserten Wärmeableitung ist zwischen dem Wärmeableitelement 12 und der Platine 11 eine Wärmeleitschicht, insbesondere eine Wärmeleitpaste, angeordnet (nicht dargestellt). Ferner ist zur verbesserten Wärmeableitung zwischen dem Wärmeableitelement 12 und den durch das Wärmeableitelement 12 hindurchgeführten Hohlleiter-Stäben 8, insbesondere im Bereich der Lochöffnungen des Wärmeableitelements 12, eine Wärmeleitschicht, insbesondere eine Wärmeleitpaste, angeordnet.
Die 5 zeigt den beispielhaften Aufbau eines mit der Erfindung vorgeschlagenen Stators im Bereich der Platine 11. Erkennbar ist, dass die Platine 11 einen ersten Platinenteil 31 aufweist, der elektronische Bauelemente 17 umfasst. Diese elektronischen Bauelemente 17 sind einer Leistungselektronik, insbesondere einer Wechselrichter dc-Versorgung zur Mehrphasen ac-Bestromung der Hohlleiter-Stäbe 8 zugeordnet. Ferner weist die Platine 11 einen zweiten Platinenteil 32 auf, der elektronische Bauelemente 18 umfasst, die einer Steuerungselektronik zuzuordnen sind. Die Platine 11 kann baulich einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Auf Details zur Leistungs- und Steuerungselektronik sei an dieser Stelle nicht Bezug genommen. Beispielhaft sind in der 5 aber mögliche elektronische Bauelemente 17, 18 wiedergegeben. Im Bereich des ersten Platinenteils 31 ist ein dc Versorgungsanschluss 19 angeordnet, im Bereich des zweiten Platinenteils 32 ist eine Kommunikationsschnittstelle 20 vorgesehen, über welche auf die im Bereich des zweiten Platinenteils 32 angeordnete Steuerungselektronik zugegriffen werden kann. Beispielsweise kann über eine externe (nicht dargestellte) Recheneinheit auf die Steuerungselektronik der Platine 11 zugegriffen werden. Über die Kommunikationsschnittstelle 20 können Signale, Befehle und Daten ausgetauscht werden. Mit dem Bezugszeichen 23 sind elektrische Leistungsanschlüsse 23 bezeichnet, die eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Platinenteil 31 und den Hohlleiter-Stäben 8 gewährleisten. Die elektrischen Leistungsanschlüsse 23 können beispielsweise in Form von Durchsteckmontagen (engl. THT = Through Hole Technology) verwirklicht sein. Ferner ist der erste Platinenteil 31 über elektrische Signalanschlüsse 24 mit den Hohlleiter-Stäben 8 verbunden.
Die 6 zeigt in einer perspektivische Schnittansicht, dass die Hohlleiter-Stäbe 8 jeweils in einem durch das Wärmeableitelement 12 hindurchgeführten Abschnitt des jeweiligen Hohlleiter-Stabs 8 eine Messeinrichtung 25 zur Messung einer elektrischen Spannung aufweisen, die proportional zu einem zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Phasenstrom ist.
Die Messeinrichtung 25 umfasst dabei zunächst einen Verjüngungsabschnitt 26, der zumindest in einem Radialabschnitt und zumindest entlang eines sich entlang der Hohlleiter-Stab-Längsachse L_H erstreckenden Teillängenabschnitts eine im Vergleich zu einem den Kühlmittel-Strömungskanal 7 im Bereich des Blechpaket-Abschnitts umgebenden Mantelabschnitt geringere Wandstärke aufweist, also verjüngt ist.
Dem Verjüngungsabschnitt 26 gegenüberliegend ist ein Zapfen 27 angeordnet, der über einen elektrischen Signalanschluss 24, beispielsweise einen SMT-Federkontakt, der Platine 11 bzw. dem ersten Platinenteil 31 verbunden ist. Über den Zapfen 27 kann eine in dem jeweiligen Hohlleiter-Stab 8 vorliegende elektrische Spannung abgegriffen werden.
Der Verjüngungsabschnitt 26 ist dabei gebildet durch eine erste (nach außen offene) Materialausnehmung 28 in der Wand des jeweiligen Hohlleiter-Stabs 8, welchem diametral eine zweite Materialausnehmung 29 gegenüberliegt, die jedoch radial nach außen von dem Zapfen 27 begrenzt ist. Der Zapfen 27 erstreckt sich entlang der Hohlleiter-Stab-Längsachse L_H zumindest über die Länge der ersten Materialausnehmung 28, kann jedoch auch eine größere Längenausdehnung in Richtung der Platine 11 aufweisen. Zwischen dem Zapfen 27 und der den Kühlmittel-Strömungskanal 7 in diesem Bereich abgrenzenden Wandung ist ein Spalt vorgesehen. An einem der Platine 11 zugewandten Ende des Zapfens 27, ist dieser über den genannten elektrischen Signalanschluss bzw. ein Kontaktmittel (z.B. einen SMT-Federkontakt) mit der Platine 11 bzw. einem darauf angeordneten elektronischen Bauelement 17 verbunden.
Wie schon eingangs erwähnt strömen entlang der Hohlleiter-Stäbe 8 beim Betrieb einer dem Stator zugehörigen elektrischen Maschine ac Phasenströme. Die Hohlleiter-Stäbe 8 stellen demnach ac Phasen-Lastpfade oder Hochstrompfade für die genannten ac Phasenströme dar. Die Kenntnis der in den Hohlleiter-Stäben 8 vorherrschenden Phasenströme ist von entscheidender Bedeutung für die Überwachung (Überstrom, Kurzschlüsse) und Diagnose beim Betrieb einer den Stator beinhaltenden elektrischen Maschine. Mit der Kenntnis der vorherrschenden Phasenströme lassen sich Maschinenausfälle, Beschädigungen oder ein Fehlbetrieb vermeiden. Entsprechend wird dadurch die Betriebssicherheit des Stators und der zugehörigen elektrischen Maschine erhöht.
Da die geometrische Summe der Phasenströme (also die Summe aller in den einzelnen Hohlleiter-Stäben 8 vorherrschenden Phasenströme) proportional zum erzeugten Magnetfeld sowie zur erzeugten mechanischen Kraft bzw. zum erzeugten Drehmoment ist, lassen sich auch Aussagen zur Maschinenleistung etc. ableiten. Phasenströme werden typischerweise über Shunt-Widerstände in messbare Spannungen umgewandelt. Der Shunt-Widerstand wird vorliegend durch den genannten Verjüngungsabschnitt 26 bereitgestellt. Durch die Verjüngung weist der Hohlleiter-Stab 8 im Bereich des Verjüngungsabschnitts 26 einen erhöhten elektrischen Widerstand auf. An jenen Stellen größeren Durchmessers weist der Hohlleiter-Stab 8 einen geringen elektrischen Widerstand auf. Der Verjüngungsabschnitt 26 ist an einer außerhalb der Stator-Blechpakete 10 vorgesehenen Stelle des jeweiligen Hohlleiter-Stabs 8 ausgebildet, nahe der vorangehend beschriebenen Platine 11. Die Verjüngung des Hohlleiter-Stabs 8 wird dabei so gewählt, dass der aus der Verjüngung bzw. der Querschnittsverkleinerung resultierende elektrische Widerstand eine messbare Phasenstrom-proportionale Spannung erzeugt, die letztlich über den beschriebenen Zapfen 27 abgegriffen werden kann.
In der 7 ist in einer schematischen Prinzipdarstellung die an den jeweiligen Hohlleiter-Stäben 8 ausgebildete Messeinrichtung 25 nochmals wiedergegeben.
Ferner ist ein zugehöriges elektrisches Ersatzschaltbild 33 dargestellt. Kenntlich gemacht ist dabei, dass der erwähnte Shunt-Widerstand durch die Komponenten des Verjüngungsabschnitts 26 gebildet wird. In einem Sternpunkt 34 sind die Hohlleiter-Stäbe 8 elektrisch miteinander verbunden. Der Sternpunkt 34 ist in der Nähe zur Ablaufkammer 5 angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Kühlmittel-Einlass
3: Kühlmittel-Auslass
4: Zulaufkammer
5: Ablaufkammer
7: Kühlmittel-Strömungskanal
8: Hohlleiter-Stab
10: Stator-Blechpakete
11: Platine
12: Wärmeableitelement
15: Hohlleiter-Stab-Innenraum
17: elektronisches Bauelement
18: elektronisches Bauelement
19: DC Versorgungsanschluss
20: Kommunikationsschnittstelle
21: erstes Gehäuse-Ende
22: zweites Gehäuse-Ende
23: elektrischer Leistungsanschluss
24: elektrischer Signalanschluss
25: Messeinrichtung
26: Verjüngungsabschnitt
27: Zapfen
28: erste Materialausnehmung
29: zweite Materialausnehmung
30: Blechpaket-Abschnitt
31: erster Platinenteil
32: zweiter Platinenteil
33: elektrisches Ersatzschaltbild
34: Sternpunkt
LH: Hohlleiter-Stab-Längsachse
Ls: Stator-Längsachse
P1: Pfeil
P2: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015012914 A1 [0011]

Claims

Stator für eine elektrische Mehrphasen- Synchron- oder Asynchronmaschine mit vorzugsweise mehr als zehn Phasen, umfassend ein Gehäuse (1), in welchem eine Mehrzahl von Hohlleiter-Stäben (8) assembliert ist, wobei die Hohlleiter-Stäbe (8) je eine parallel zu einer Stator-Längsachse (Ls) ausgerichtete Hohlleiter-Stab-Längsachse (L_H) aufweisen und zum Leiten von elektrischem Strom zur Erzeugung eines Stator-Magnetfeldes ausgebildet sind, und wobei die Hohlleiter-Stäbe (8) jeweils in einem Hohlleiter-Stab-Innenraum (15) einen sich entlang der jeweiligen Hohlleiter-Stab-Längsachse (L_H) erstreckenden Kühlmittel-Strömungskanal (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlmittel-Strömungskanal (7) der jeweiligen Hohlleiter-Stäbe (8) ausgehend von einem im Bereich eines ersten Gehäuse-Endes (21) angeordneten Kühlmittel-Einlass (2) bis zu einem im Bereich eines zweiten Gehäuse-Endes (22) angeordneten Kühlmittel-Auslass (3) erstreckt und von einem Kühlmittel durchströmbar ist.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittel-Einlass (2) in Form einer Zulaufkammer (4) ausgebildet ist, in welche je ein dem ersten Gehäuse-Ende (21) zugewandter Abschnitt der Kühlmittel-Strömungskanäle (7) mündet.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittel-Auslass (3) in Form einer Ablaufkammer (5) ausgebildet ist, in welche je ein dem zweiten Gehäuse-Ende (22) zugewandter Abschnitt der Kühlmittel-Strömungskanäle (7) mündet.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Stator-Längsachse (Ls) zwischen der Zulaufkammer (4) und der Ablaufkammer (5) in einem Blechpaket-Abschnitt (30) elektro-magnetisch wirkende Stator-Blechpakete (10) angeordnet sind, wobei die Stator-Blechpakete (10) derart angeordnet sind, dass die Hohlleiter-Stäbe (8) jeweils zumindest teilweise von zumindest einem Stator-Blechpaket (10) umgeben sind.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlleiter-Stäbe (8) in Bezug zu der Stator-Längsachse (Ls) konzentrisch oder nebeneinander angeordnet sind.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Stator-Längsachse (Ls) zwischen der Zulaufkammer (4) und dem Blechpaket-Abschnitt (30) eine zur Bestromung der Hohlleiter-Stäbe (8) eingerichtete Platine (11) mit elektronischen Bauelementen (17, 18) angeordnet ist, wobei die Hohlleiter-Stäbe (8) durch die Platine (11), insbesondere durch Lochöffnungen der Platine (11), elektrisch kontaktierend hindurchgeführt sind.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Stator-Längsachse (Ls) zwischen der Platine (11) und dem Blechpaket-Abschnitt (30) ein Wärmeableitelement (12) angeordnet ist, wobei das Wärmeableitelement (12) mit einer dem ersten Gehäuse-Endes (21) zugewandten Seite an der Platine (11) anliegt.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlleiter-Stäbe (8) durch das Wärmeableitelement (12), insbesondere durch Lochöffnungen des Wärmeableitelements (12), hindurchgeführt sind.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur verbesserten Wärmeableitung zwischen dem Wärmeableitelement (12) und der Platine (11) eine Wärmeleitschicht, insbesondere umfassend eine Wärmeleitpaste, angeordnet ist, und dass zur verbesserten Wärmeableitung zwischen dem Wärmeableitelement (12) und den durch das Wärmeableitelement (12) hindurchgeführten Hohlleiter-Stäben (8), insbesondere im Bereich der Lochöffnungen des Wärmeableitelements (12), eine Wärmeleitschicht, insbesondere umfassend eine Wärmeleitpaste, angeordnet ist.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (11) baulich ein- oder mehrteilig ausgebildet ist, wobei ein erster Platinenteil (31) der ein- oder mehrteilig ausgebildeten Platine (11) elektronische Bauelemente (17) umfasst, die einer Leistungselektronik, insbesondere einer Funktion eines elektrischen Strom- und/oder Frequenzumrichters zuzuordnen sind, und wobei ein zweiter Platinenteil (32) der ein- oder mehrteilig ausgebildeten Platine (11) elektronische Bauelemente (18) umfasst, die einer Steuerungs- und/oder Regelungselektronik zuzuordnen sind.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer, insbesondere sämtliche, der Hohlleiter-Stäbe (8) in einem durch das Wärmeableitelement (12) hindurchgeführten Abschnitt des Hohlleiter-Stabs (8) eine Messeinrichtung (25) zur Messung einer elektrischen Spannung aufweist, die proportional zu einem zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Phasenstrom ist.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter-Stab (8) in dem durch das Wärmeableitelement (12) hindurchgeführten Abschnitt zumindest einen Teil der Messeinrichtung unmittelbar ausbildet.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter-Stab in dem durch das Wärmeableitelement (12) hindurchgeführten Abschnitt umfasst: a. einen Verjüngungsabschnitt, der zumindest in einem Radialabschnitt und zumindest entlang eines sich entlang der Hohlleiter-Stab-Längsachse (L_H) erstreckenden Teillängenabschnitts eine im Vergleich zu einem den Kühlmittel-Strömungskanal (7) im Bereich des Blechpaket-Abschnitts (30) umgebenden Mantelabschnitt geringere Wandstärke aufweist; b. einen dem Verjüngungsabschnitt gegenüberliegenden Zapfen, der mit der Platine verbindbar ist und dazu ausgebildet ist, eine in dem Hohlleiter-Stab vorliegende elektrische Spannung abzugreifen.
Elektrische Maschine, insbesondere Mehrphasen- Synchron- oder Asynchronmaschine mit vorzugsweise zumindest zehn Phasen, die ausgebildet ist als rotatorisch oder linear betriebene Maschine, umfassend einen nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildeten Stator.