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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein hybridisch oder rein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug.
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Bei gattungsgemäßen elektrischen Maschinen besteht prinzipiell die Anforderung, eine möglichst hohe Leistung zu erzielen. Deshalb wird häufig zusätzlicher Bauraum benötigt, um bspw. die Dimensionen der einzelnen Bestandteile (bspw. des Stators) der elektrischen Maschine zu vergrößern. Dies führt wiederum dazu, dass im Betrieb der elektrischen Maschine seitens des Stators höhere Momente abzustützen sind, was dessen Herstellungsaufwand deutlich erhöht. Auch ist eine Anbindung der elektrischen Maschine an einem Fahrzeuggehäuse häufig aufwändiger.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die eine möglichst hohe Leistungsdichte aufweist und zugleich eine sichere gehäuseseitige Abstützung des Stators ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist eine elektrische Maschine für ein hybridisch oder rein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug beansprucht, die ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse angebrachten Stator sowie einen in dem Gehäuse relativ zu dem Stator verdrehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei der Stator ein aus mehreren übereinander gestapelten Einzelblechen bestehendes Blechpaket aufweist, welches Blechpaket über mehrere Schrauben zu seiner ersten axialen Seite an einem ersten Lagerschild des Gehäuses befestigt ist und zu seiner, der ersten axialen Seite abgewandten, zweiten axialen Seite an einem zweiten Lagerschild des Gehäuses befestigt ist und die Schrauben jeweils in ein entweder in dem ersten Lagerschild oder in dem zweiten Lagerschild eingebrachtes Innengewinde, unter Zusammenpressen des Blechpaketes, eingeschraubt sind.
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Dadurch wird eine robuste Aufnahme des Stators in dem Gehäuse ermöglicht, wobei das Blechpaket axial fest in dem Gehäuse eingeklemmt ist. Durch Verwendung der beiden Lagerschilde wird die Druckkraft der Schrauben gleichmäßiger in Umfangsrichtung verteilt. Somit wird auch eine Koaxialität des Rotors relativ zum Stator verbessert.
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Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demnach ist es auch von Vorteil, wenn zumindest eine Schraube in einem der Lagerschilde eingeschraubt ist und in dem anderen der Lagerschilde, vorzugsweise unter Anordnung einer Abstützhülse, zu einer radialen Innenwandung eines Durchgangsloches beabstandet ist. Dadurch ist die Aufnahme der Schrauben in dem jeweiligen Lagerschild möglichst robust ausgeführt.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine Kühlvorrichtung zur Flüssigkeitskühlung des Stators vorhanden ist. Dadurch kann die Leistungsdichte der elektrischen Maschine weiter erhöht und die thermische Belastung der Bauteile reduziert werden.
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In diesem Zusammenhang hat es sich weiterhin als zweckmäßig herausgestellt, wenn das Blechpaket mit mehreren axial durchgängig verlaufenden Kühlkanälen versehen ist, welche Kühlkanäle zu den axialen Seiten des Blechpaketes hin mit in den Lagerschilden vorhandenen Verteilkanälen weiter verbunden sind. Dadurch ergibt sich eine möglichst direkte Kühlung des Blechpaketes.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn in dem ersten Lageschild ein ringförmig verlaufender, mit den Kühlkanälen verbundener, erster Verteilkanal eingebracht ist und/oder in dem zweiten Lagerschild ein ringförmig verlaufender, mit den Kühlkanälen verbundener, zweiter Verteilkanal eingebracht ist. Dadurch wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Kühlmediums / Kühlöls über den Umfang hinweg erzielt.
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Als zweckmäßig hat es sich weiterhin herausgestellt, wenn der erste Verteilkanal unmittelbar in dem ersten Lagerschild ausgebildet ist. Dadurch wird die Anzahl an Einzelteilen weiter reduziert.
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Auch ist es von Vorteil, wenn der zweite Verteilkanal unmittelbar in dem zweiten Lagerschild ausgebildet ist. Dadurch wird ebenfalls der Aufbau der elektrischen Maschine vereinfacht.
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Alternativ zu der unmittelbaren Ausbildung des zweiten Verteilkanals in dem zweiten Lagerschild ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn dieser zweite Verteilkanal in einem separat zu dem zweiten Lagerschild ausgeformten, axial zwischen dem zweiten Lagerschild und dem Blechpaket eingespannten Ringelement ausgebildet ist. Dadurch ist der zweite Verteilkanal möglichst einfach herstellbar.
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Wenn das zweite Lagerschild mehrere beabstandet zu den Schrauben angeordnete, zur Befestigung mit einem weiteren Gehäuse (vorzugsweise einem fahrzeugrahmenfest angebrachten Gehäuse) dienende Aufnahmelöcher aufweist, wird das Gehäuse der elektrischen Maschine auf einfach herstellbare Weise an einem weiteren Gehäuse festgelegt.
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Für eine möglichst kompakte Ausbildung der elektrischen Maschine ist es auch zweckmäßig, wenn das zweite Lagerschild zumindest eine radial nach außen geöffnete (sich in Umfangsrichtung begrenzt ausbreitende) Aussparung aufweist, in welcher Aussparung eine Leistungselektronikeinheit und / oder eine Stromschiene untergebracht sind / ist. Dadurch werden weitere zur Ansteuerung verwendeten Komponenten der elektrischen Maschine bauraumsparend integriert.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß ein Anbindungskonzept für einen ölabgekühlten Elektromotor (elektrische Maschine) umgesetzt. Die elektrische Maschine weist zwei Schilder, nämlich ein erstes Lagerschild und ein zweites Lagerschild, auf. Das erste Lagerschild ist zu einem axialen Ende des Statorblechpaketes angeordnet und das zweite Lagerschild ist zu einem anderen axialen Ende des Statorblechpaketes angeordnet. Das zweite Lagerschild weist mehrere Gewindelöcher (Innengewinde) auf. Jedes der Gewindelöcher nimmt eine erste Schraube, die das erste Lagerschild durchdringt sowie das Statorblechpaket fest relativ zu dem ersten Lagerschild und dem zweiten Lagerschild festlegt, auf und dient als Schnittstelle zu einem Gehäuse des Fahrzeuges, nämlich zum Aufnehmen einer zweiten Schraube zur Sicherung des zweiten Lagerschildes relativ zu dem Gehäuse des Fahrzeuges. Des Weiteren ist eine Kühlpassage (Kühlvorrichtung) zwischen dem zweiten Lageschild, dem Statorblechpaket und dem ersten Lagerschild vorhanden.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer in Längsrichtung geschnittenen, erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel, mit der ein Aufbau eines Stators sowie dessen Aufnahme in einem Gehäuse besonders gut zu erkennen sind,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines in Längsrichtung geschnittenen, in 1 eingesetzten Stators,
- 3 eine perspektivische Darstellung eines in dem Stator eingesetzten Blechpaketes,
- 4 eine perspektivische Darstellung eines den Stator aufnehmenden (zweiten) Lagerschildes von einer Rückseite,
- 5 eine perspektivische Darstellung des (zweiten) Lagerschildes nach 4 von einer Vorderseite,
- 6 eine perspektivische Darstellung eines zwischen dem Blechpaket und dem zweiten Lagerschild eingesetzten Ringelementes von einer Rückseite,
- 7 eine perspektivische Darstellung des Ringelementes nach 6 von einer Vorderseite,
- 8 eine perspektivische Darstellung der elektrischen Maschine in einer Vollansicht, sowie
- 9 eine perspektivische Darstellung einer in Längsrichtung geschnittenen erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die einzelnen Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele können zudem prinzipiell frei miteinander kombiniert werden.
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Mit den 1 und 8 ist eine elektrische Maschine 1 nach einem bevorzugten ersten Ausführungsbeispiel besonders gut zu erkennen. Die elektrische Maschine 1 dient im Betrieb bevorzugt zum Einsatz in einem rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, weiter bevorzugt zum Einsatz in einem hybridisch angetriebenen Kraftfahrzeug.
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Die nachfolgend verwendeten Richtungsangaben axial / axiale Richtung, radial / radiale Richtung sowie Umfangsrichtung beziehen sich auf eine zentrale Drehachse 23 eines Rotors 4 der elektrischen Maschine 1. Axial bedeutet folglich entlang dieser Drehachse 23, radial senkrecht zu dieser Drehachse 23 und Umfangsrichtung in einer Richtung entlang einer koaxial zu der Drehachse 23 herum verlaufenden Kreislinie.
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Die elektrische Maschine 1 weist einen ringförmigen Stator 3 auf, der in 2 alleine betrachtet ist. Der Stator 3 ist im Betrieb fest in einem nachfolgend näher beschriebenen Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 aufgenommen / eingespannt. Das Gehäuse 2 ist im Betrieb mit einem der Übersichtlichkeit nicht weiter dargestellten Gehäuse des Kraftfahrzeuges, d.h. einem fahrzeugrahmenfesten Gehäuse, weiter verbunden.
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Der Stator 3 weist ein aus mehreren hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Einzelblechen 5 bestehendes Blechpaket 6 auf. Das Blechpaket 6 weist auf typische Weise eine Vielzahl an axial übereinandergestapelten Einzelblechen 5 auf und bildet einen Grundkörper 24 des Stators 3 bilden. In mehreren axial verlaufenden, radial nach innen geöffneten Nuten 25 des Grundkörpers 24 sind Abschnitte einer bzw. mehrerer Spulenwicklungen 26 des Stators 3 aufgenommen. Dies ist auch in 3 näher dargestellt.
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Des Weiteren, wie auch in 1 ersichtlich, ist radial innerhalb des Stators 3 / des Blechpaketes 6 ein Rotor 4 der elektrischen Maschine 1 verdrehbar aufgenommen. Der Rotor 4 ist in dem Gehäuse 2 verdrehbar gelagert.
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Das Gehäuse 2 weist zwei axial zueinander beabstandete Lagerschilde 9, 10 auf, die jeweils zu einer axialen Seite 8a bzw. 8b des Blechpaketes 6 hin auf einer radialen Außenseite des Rotors 4 bzw. einer zu dem Rotor 4 gehörenden Rotorwelle 27 abgestützt sind. Der Rotor 4 ist zudem typischerweise permanent erregt und weist demzufolge mehrere Permanentmagnete auf, die in dem Rotor 4 aufgenommen sind.
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Jenes Lagerschild 9, das zu einer ersten axialen Seite 8a des Blechpaketes 6 hin angeordnet ist, ist als erstes Lagerschild 9 bezeichnet, wohingegen jenes auf einer gegenüberliegenden zweiten axialen Seite 8b des Blechpaketes 6 angeordnete Lagerschild 10 als zweites Lagerschild 10 bezeichnet ist. Axial zwischen dem ersten Lagerschild 9 und dem zweiten Lagerschild 10 ist das Blechpaket 6 fest aufgenommen sowie mittels einer axialen Druckkraft beaufschlagt und demnach zwischen den beiden Lagerschilden 9, 10 eingespannt.
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Erfindungsgemäß sind mehrere, hier vier in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete Schrauben 7 vorgesehen, die dazu dienen, die beiden Lagerschilde 9, 10 aufeinander zu vorzuspannen. Jede Schraube 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit ihrem Schraubenkopf 29 an einer dem zweiten Lagerschild 10 abgewandten Seite des ersten Lagerschildes 9 abgestützt. Ein diesem Schraubenkopf 29 gegenüberliegender Gewindebereich 30 der Schraube 7 ist fest in einem in dem zweiten Lagerschild 10 eingebrachten Innengewinde 11 / einem ein Innengewinde 11 aufweisenden Aufnahmebereich eingeschraubt.
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Des Weiteren, wie in 1 ebenfalls veranschaulicht, durchragt die jeweilige Schraube 7 ein Durchgangsloch 13 des Blechpaketes 6. Innerhalb dieses Durchgangsloches 13 ist eine Abstützhülse 31 zwischen einer Innenwandung 12 des Durchgangsloches 13 und einer Außenseite der Schraube 7 angebracht. Die Abstützhülse 31 dient dabei zum Einstellen eines definierten Abstandes zwischen den Lagerschilden 9, 10 und dem Blechpaket 6. Es ist zu erkennen, dass die Abstützhülse 31 sowohl in dem ersten Lagerschild 9 als auch in dem zweiten Lagerschild 10 um zumindest einen gewissen Längsabschnitt (in einer Aufnahme 34 / Aufnahmebohrung) aufgenommen ist. Die Abstützhülse 31 durchdringt das Blechpaket 6 vollständig.
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Mit den 4 und 5 ist das zweite Lageschild 10 näher zu erkennen. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass in Umfangsrichtung versetzt zu den die Schrauben 7 aufnehmenden Innengewinden 11 Mittel zum weiteren Verbinden des Gehäuses 2 an einem fahrzeugrahmenfesten Gehäuse vorhanden sind. Diese Mittel umfassen weitere Aufnahmelöcher 19, um weitere Befestigungselemente, wie Schrauben oder Steckpins aufzunehmen. Besonders bevorzugt sind die Innengewinde 11 so lange ausgebildet, dass Schrauben zur Befestigung des Gehäuses 2 an einem fahrzeugrahmenfesten Gehäuse ebenfalls (von einer den Schrauben 7 abgewandten Seite) in das jeweilige Innengewinde 11 eingeschraubt sind.
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Radial innerhalb der Innengewinde 11 sind auch Befestigungssockel 32 vorhanden, um weitere Bestandteile der elektrischen Maschine 1 im Betrieb aufzunehmen. Insbesondere weist das zweite Lagerschild 10 in Umfangsrichtung zwischen je zwei benachbarten Innengewinden 11 eine radial nach außen geöffnete Aussparung 20 auf. Auf diese Art sind mehrere Aussparungen 20 ausgebildet, wobei in den Aussparungen bspw. eine in 1 hinsichtlich ihrer Position angedeuteten Leistungselektronikeinheit 21 und eine Stromschiene 22 untergebracht sind.
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Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine 1 eine Kühlvorrichtung 14, die dazu dient, das Blechpaket 6 unmittelbar im Betrieb zu kühlen. Die Kühlvorrichtung 14 ist als eine Flüssigkeitskühlung realisiert.
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Die Kühlvorrichtung 14, wie etwa in 3 zu erkennen, weist mehrere in das Blechpaket 6 eingebrachte, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Kühlkanäle 15 auf. Diese Kühlkanäle 15 sind als axiale Durchgangslöcher ausgebildet. Vorzugsweise ist jeder Nut 25 ein eigener Kühlkanal 15 zugeordnet.
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Die Kühlkanäle 15 sind zu ihrem jeweiligen axialen Ende hin mit einem ringförmig verlaufenden Verteilkanal 16, 17 seitens des ersten Lagerschildes 9 oder des zweiten Lagerschildes 10 verbunden. Ein erster ringförmiger Verteilkanal 16 ist jener Verteilkanal, der unmittelbar in dem ersten Lagerschild 9 mit ausgeformt ist, wohingegen ein zweiter Verteilkanal 17 in dieser Ausführung unmittelbar durch ein Ringelement 18 ausgebildet ist. Das Ringelement 18 ist in den 6 und 7 näher zu erkennen. Das Ringelement 18, wie in 1 gezeigt, ist axial zwischen dem Blechpaket 6 und einem Absatz 33 des zweiten Lagerschildes 10 eingespannt. Das Ringelement 18 bildet unmittelbar den ringförmigen zweiten Verteilkanal 17 aus.
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Mit 9 ist schließlich ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, das weitestgehend gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut ist und funktioniert. Der Kürze wegen werden daher nachfolgend lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der zweite Verteilkanal 17 nun integraler Bestandteil des zweiten Lagerschildes 10, wie bereits in dem ersten Ausführungsbeispiel für den ersten Verteilkanal 16 des ersten Lagerschildes 9 beschrieben. Der zweite Verteilkanal 17 ist, wie mit 9 dargestellt, über einen axialen Verbindungskanal 28 zu einer Stirnseite des Gehäuses 2 für einen weiteren Anschluss ausgelegt.
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Auch ist die jeweilige Schraube 7 nun umgekehrt zu dem ersten Ausführungsbeispiel eingesetzt. Die Schraube 7 liegt mit ihrem Schraubenkopf 29 an einer dem ersten Lagerschild 9 abgewandten Seite des zweiten Lagerschildes 10 an und ist mit ihrem Gewindebereich 30 in ein in dem ersten Lagerschild 9 eingebrachtes Innengewinde 11 eingeschraubt.
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Mit anderen Worten ausgedrückt wirkt die Druckkraft der Schrauben 7 erfindungsgemäß nicht direkt auf das Blechpaket 6, sondern über ein zweites Schild 10, das die Kraft in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt. Dieses zweite Schild 10 gewährleistet eine bessere Koaxialität zu dem Rotor 4.
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Ein Abkühlsystem 14 kann zudem die Temperaturschwankungen stark reduzieren, was die Setzneigung des Blechpakets 6 mindert.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 besteht aus einem Statorstack (Blechpaket 6) mit Wicklung 26, welcher Statorstack 6 zwischen einem ersten Lagerschild 9 (A-Schild) und einem zweiten Lagerschild 10 (B-Schild) mit Schrauben 7 gespannt ist. Das B-Schild 10 weist die Schnittstelle mit dem Fahrzeuggehäuse auf.
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Das A-Schild 9 hat drei Funktionen: Es sammelt das Öl, das aus den Statorstackkanälen 15 stammt; es stellt die Koaxialität des Stators 3 mit dem Rotor 4 sicher; und es verteilt die Spannkraft der Schrauben 7 in Umfangsrichtung auf dem Statorstack 6.
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Ein vorhandener Schmierring 18 hat vier Funktionen: Er sammelt das Öl, das vom B-Schild 10 eingeleitet ist; er verteilt das Öl in Umfangsrichtung, damit jeder Kühlkanal 15 vom Statorstack 6 Öl bekommt; er verteilt die Schraubenkraft vom B-Schild 10 in Umfangsrichtung; und er positioniert und fixiert das HV-Terminal 21.
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Das B-Schild hat folgende vier Funktionen: Es stellt durch zwei Stifte und vier Schrauben die Verknüpfung mit dem Fahrzeuggehäuse sicher; es sammelt das Öl und stellt durch den Schmierring 18 die Ölzuführung im Statorstack 6 sicher; es stellt durch vier Hülsen 31 die Momentabstützung vom Stator 3 sicher; und es stellt die Koaxialität des Stators 3 mit dem Rotor 4 sicher.
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Das B-Schild weist vier Gewinde 11 auf, die von den vier Schrauben 7 des E-Motors 1 und von den vier Schrauben des Fahrzeuggehäuses (nicht dargestellt) verwendet sind. Eine Aussparung 20 ist zwischen zwei Domen vorgesehen, um Platz für das HV-Terminal 21 und einen Busbar 22 zu lassen.
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Der Statorstack 6 hat in dieser Ausführung sechzig Kühlkanäle 15 für die Abkühlung der sechzig Nuten 25. Vier Bohrungen 13 stellen die Momentabstützung durch Hülsen 31 sicher.
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Wie des Weiteren in Bezug auf den Schmierring 18 in 6 zu erkennen, weist dieser zudem einen Ausgang 35 und einen Eingang 36 auf sowie (erste) Schnittstellen 37 zum HV-Terminal 21 und eine (zweite) Schnittstelle 38 zur Statorhülse 31 auf.
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Die Montage erfolgt folgendermaßen: Die Wicklungsmatte 26 wird radial in den Statorstack 6 eingefädelt. Die vier Hülsen 31 und der Schmierring 18 werden im Statorstack 6 mit Wicklung 26 eingefädelt. Das HV-Terminal 21 und der Busbar 22 werden mit den Drahtenden der Wicklung 26 verschweißt. Eine zusätzliche Isolierung durch Imprägnieren kann erfolgen. Anschließend wird das B-Schild 10 eingefädelt. Das A-Schild 9 kann mit Welle 27 und Rotor 4 vormontiert werden und anschließend auf Statorstack 6 mit Wicklung 26, Schmierring 18, Hülsen 31 und B-Schild 10 eingefädelt werden. Die Schrauben 7 können schließlich festgezogen werden.
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So ergeben sich mehrere Vorteile: Das HV-Terminal 21 und der Busbar 22 sind vor der Montage des B-Schilds 10 geschweißt, was einen optimalen Zugang ermöglicht (Dome des B-Schilds 10 sind relativ nah an Schweißstellen). Das Imprägnieren wird so auch vereinfacht. Das Produkt weist keine losen Einzelteile auf.
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Eine alternative Ausführung ist durch 9 dargestellt. Hier sind B-Schild 10 und Schmierring 18 einteilig. Bei der Montage wäre das B-Schild 10 während des Schweißens des HV-Terminals 21 schon montiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 5
- Einzelblech
- 6
- Blechpaket
- 7
- Schraube
- 8a
- erste axiale Seite
- 8b
- zweite axiale Seite
- 9
- erstes Lagerschild
- 10
- zweites Lageschild
- 11
- Innengewinde
- 12
- Innenwandung
- 13
- Durchgangsloch
- 14
- Kühlvorrichtung
- 15
- Kühlkanal
- 16
- erster Verteilkanal
- 17
- zweiter Verteilkanal
- 18
- Ringelement
- 19
- Aufnahmeloch
- 20
- Aussparung
- 21
- Leistungselektronikeinheit
- 22
- Stromschiene
- 23
- Drehachse
- 24
- Grundkörper
- 25
- Nut
- 26
- Spulenwicklung
- 27
- Rotorwelle
- 28
- Verbindungskanal
- 29
- Schraubenkopf
- 30
- Gewindebereich
- 31
- Abstützhülse
- 32
- Befestigungssockel
- 33
- Absatz
- 34
- Aufnahme
- 35
- Ausgang
- 36
- Eingang
- 37
- erste Schnittstelle
- 38
- zweite Schnittstelle
