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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltring zum Kontaktieren von parallelen Strängen und der Verschaltung der Phasen eines Stators einer elektrischen Maschine zu einer Stern- oder Dreieckschaltung einer Wicklung des Stators, einen Stator, eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine.
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Zur Kontaktierung einer Wicklung eines Stators einer elektrischen Maschine weist dieser häufig einen Schaltring auf. Der Schaltring kontaktiert dabei typischerweise parallel verlaufende Stränge von elektrischen Leitungen der Wicklung und ermöglicht den Anschluss der unterschiedlichen Phasen an eine Leistungselektronik. Dazu ist der Schaltring zumeist an einer Stirnseite am Wickelkopf der Wicklung des Stators angeordnet und weist für jede Phase der elektrischen Maschine einen im Wesentlichen ringförmigen elektrischen Leiter auf. Die elektrischen Leiter sind zum einen zum Anschluss an die Leistungselektronik und zum anderen zum Anschluss an die parallel verlaufenden Stränge der jeweiligen Phase vorgesehen.
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Elektrische Maschinen müssen im Betrieb gekühlt werden. Insbesondere bei hochperformanten elektrischen Maschinen ist dazu vorgesehen, den Statorraum mit einem Kühlmedium zu durchströmen und die Wicklung direkt mit dem Kühlmedium zu beaufschlagen. Typischerweise wird dabei das Kühlmedium an einer Stirnseite des Stators eingeleitet, strömt an einem Wickelkopf vorbei, durch die Nuten des Stators zu einem gegenüberliegenden Wickelkopf und verlässt an einer weiteren Stirnseite den Stator.
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Durch Geometrie von Wickelkopf und Nuten des Stators ist eine gleichmäßige Kühlung nicht immer möglich. Häufig kommt es zu ungewollten Druckdifferenzen und großen Unterschieden bei der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums.
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Hierdurch entstehen Stellen im Stator, welche nicht optimal gekühlt werden können und somit eine Leistungslimitation darstellen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2014 212 577 A1 , die gattungsbildend für die Erfindung ist, ist eine elektrische Maschine mit einer Schaltringaufnahme bekannt. Die Schaltringaufnahme weist Strömungsleitelemente, insbesondere Öffnungen auf. Aus den Druckschriften
US 2015 / 0 303 759 A1 ,
JP 2014 - 107 875 A und
US 2018 / 0 337 569A1 sind weitere elektrische Maschinen bekannt, welche Strömungsleitelemente aufweisen. Der Wikipedia-Artikel zur SternDreieck-Anlaufschaltung offenbart ferner das Umschalten von einer Stern- zu einer Dreieckschaltung beim Anlauf einer elektrischen Maschine.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaltring bereitzustellen, welcher die genannten Nachteile Standes der Technik nicht aufweist, sondern eine optimierte Durchströmung des Stators mit einem Kühlmedium erlaubt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schaltring nach Anspruch 1. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise, Einfluss auf die Strömung eines fluidförmigen Kühlmediums zu nehmen. So ist es beispielsweise möglich, Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit zu regulieren. Vorteilhaft an der Anordnung der Strömungsleitelemente an der Trägerstruktur ist, dass die elektrische Funktionalität des Schaltringes nicht beeinflusst wird. Der Schaltring weist vorzugsweise für jede Phase der elektrischen Maschine einen elektrischen Leiter, also typischerweise drei Leiter auf. Die Leiter sind im Wesentlichen ringförmig und einerseits zum Anschluss an eine Leistungselektronik und andererseits zum Anschluss an die Wicklung vorgesehen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trägerstruktur aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Dadurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, eine elektrische Isolierung zwischen dem Schaltring bzw. einem Wickelkopf der elektrischen Maschine und einem Gehäuse des Stators bzw. der elektrischen Maschine sicherzustellen. Denkbar ist, dass die Trägerstruktur aus einem Kunststoff, beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens, hergestellt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsleitelemente Leitschaufeln aufweisen. Dadurch wird auf vorteilhafte Weise eine effektive Einflussnahme auf die Strömung des Kühlmediums ermöglicht. Leitschaufeln im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Vorsprünge der Trägerstruktur.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsleitelemente in einer axialen Richtung verlaufend angeordnete axiale Öffnungen im Schaltring und/oder in einer zur axialen Richtung orthogonalen radialen Richtung verlaufend angeordnete radiale Öffnungen im Schaltring aufweisen. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise ein gezieltes Einleiten des Kühlmediums durch den Schaltring und gleichzeitig eine effektive Kühlung des Schaltringes. Denkbar ist, dass die axialen Öffnungen und/oder die radialen Öffnungen Öffnungen der Trägerstruktur und des Leiters sind. Vorzugsweise sind die axialen Öffnungen und/oder die radialen Öffnungen Durchgangsöffnungen. Denkbar ist aber auch, dass die axialen Öffnungen und/oder die radialen Öffnungen keine Durchgangsöffnungen, sondern Vertiefungen oder Aussparungen wie beispielsweise Leitgräben zum Leiten der Strömung sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Strömungsleitelemente winkelig zu einer axialen Richtung verlaufend angeordnete axiale Öffnungen im Schaltring aufweisen. Denkbar ist auch, dass die Strömungsleitelemente winkelig zu einer zur axialen Richtung orthogonalen radialen Richtung verlaufend angeordnete radiale Öffnungen im Schaltring aufweisen. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise ein gezieltes Einleiten des Kühlmediums durch den Schaltring und gleichzeitig eine effektive Kühlung des Schaltringes mit einer Richtungskomponente der Strömung des Kühlmediums winkelig zur axialen Richtung bzw. zur radialen Richtung. Denkbar ist, dass die axialen Öffnungen und/oder die radialen Öffnungen Öffnungen der Trägerstruktur und des Leiters sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trägerstruktur einen Leiteraufnahmebereich und einen zum Leiteraufnahmebereich winkelig, vorzugsweise rechtwinkelig, angeordneten Stirnbereich aufweist, wobei der Leiter vom Leiteraufnahmebereich umschlossen ist und die Strömungsleitelemente am Stirnbereich angeordnet sind. Dies ermöglicht eine geschickte und bauraumsparende Anordnung von Leiter und Strömungsleitelementen am Wickelkopf des Stators. Der Leiteraufnahmebereich ist vorzugsweise und im Wesentlichen hohlzylindrischer Form. Denkbar ist, dass der Leiteraufnahmebereich koaxial mit einem Statorblechpaket des Stators angeordnet ist. Der Stirnbereich ist vorzugsweise und im Wesentlichen ringförmig. Besonders bevorzugt ist der Stirnbereich koaxial zum Leiteraufnahmebereich angeordnet. Vorzugsweise überragt der Stirnbereich den Leiteraufnahmebereich in radialer Richtung nach außen hin nicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stirnbereich zumindest teilweise in einem von dem Leiteraufnahmebereich umschlossenen Bereich angeordnet ist. Dadurch wird eine sehr stabile Form des Schaltringes erreicht, bei welcher der Schaltring ein im Wesentlichen L-förmiges Schnittprofil aufweist. Ferner ist so eine platzsparende Anordnung um den Wickelkopf des Stators möglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trägerstruktur Befestigungshilfen zum Befestigen des Schaltringes aufweist, wobei vorzugsweise der Leiteraufnahmebereich Befestigungshilfen zum Befestigen in radialer Richtung aufweist und der Stirnbereich Befestigungshilfen zum Befestigen in axialer Richtung aufweist. Dies ermöglicht einen stabilen Halt des Schaltringes in der elektrischen Maschine. Denkbar ist, dass die Befestigungshilfen mechanische Dämpfer, beispielsweise Gummidämpfer, aufweisen. Damit wird auf vorteilhafte Weise die mechanische Belastung der Wicklung dadurch reduziert, dass die Wicklung von der Befestigung entkoppelt wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Stator für eine elektrische Maschine aufweisend eine Wicklung mit mehreren parallelen Strängen aufweist, wobei die parallelen Stränge an einem Wickelkopf des Stators durch einen erfindungsgemäßen Schaltring verbunden sind. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise, die Strömung eines fluidförmigen Kühlmediums durch den Stator zu beeinflussen. Die Wicklung des Stators weist vorzugsweise mehrere Phasen auf, wobei der Schaltring für jede Phase einen elektrischen Leiter aufweist. Die Wicklung des Stators ist vorzugsweise als Hair-Pin-Wicklung ausgeführt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Leiter an einer radialen Außenseite des Wickelkopfes und vorzugsweise den Wickelkopf in axialer Richtung nicht überragend angeordnet ist. Dies ermöglicht es, auf vorteilhafte Weise Bauraum in axialer Richtung einzusparen und damit den Stator bzw. die elektrische Maschine in axialer Richtung zu verkürzen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Leiteraufnahmebereich den Wickelkopf in radialer Richtung zu einer Außenseite des Stators hin vollständig überdeckend angeordnet ist. Dies schützt zum einen den empfindlichen Wickelkopf bei der Herstellung des Stators in radialer Richtung und ermöglicht zudem eine elektrische Isolierung des Wickelkopfes gegen ein Gehäuse in radialer Richtung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stirnbereich den Wickelkopf in axialer Richtung zu einer Außenseite des Stators hin vollständig überdeckend angeordnet ist. Dies schützt zum einen den empfindlichen Wickelkopf bei der Herstellung des Stators in axialer Richtung und ermöglicht zudem eine elektrische Isolierung des Wickelkopfes gegen das Gehäuse in axialer Richtung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitschaufeln auf einer dem Wickelkopf zugewandten Seite des Schaltringes angeordnet sind. Dies ermöglicht eine sehr effektive Beeinflussung der Strömung des Kühlmediums direkt vor dem Wickelkopf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator ein Gehäuse aufweist, wobei die Befestigungshilfen mit dem Gehäuse verbunden, vorzugsweise verschraubt, verklebt und/oder verclipst sind. Dies ermöglicht einen stabilen Halt des Schaltringes in der elektrischen Maschine. Denkbar ist, dass die Befestigungshilfen mechanische Dämpfer, beispielsweise Gummidämpfer, aufweisen. Damit wird auf vorteilhafte Weise die mechanische Belastung der Wicklung dadurch reduziert, dass die Wicklung von der Befestigung entkoppelt wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist eine elektrische Maschine aufweisend einen erfindungsgemäßen Stator.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug aufweisend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Alle zuvor im Zusammenhang mit dem Schaltring offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf das den erfindungsgemäßen Stator, die erfindungsgemäße elektrische Maschine und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Alle zuvor im Zusammenhang mit dem Leiter des Schaltringes offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich vorzugsweise auf mehrere Leiter des Schaltringes oder auf alle Leiter des Schaltringes.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch eine elektrische Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welcher einen Schaltring gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
- 2 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
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In 1 ist schematisch eine elektrische Maschine 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Stator 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Stator 10 weist einen Schaltring 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf.
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Der Schaltring 1 ist dazu vorgesehen, parallel verlaufende Stränge einer Phase an einem Wickelkopf 11 des Stators 10 zu verbinden. Dazu weist der Schaltring 1 einen elektrischen Leiter 3 auf. Der Leiter 3 ist in einer Trägerstruktur 2 angeordnet, welche aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff hergestellt ist.
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Bei der hier dargestellten elektrischen Maschine 100 handelt es sich um einen sogenannten Spaltrohrmotor. Der Luftspalt zwischen den Stator 10 und einem Rotorblechpaket 102, welches an einer Rotorwelle 101 der elektrischen Maschine 100 angeordnet ist, wird durch ein Spaltrohr 17 von einem Statorraum getrennt, in welchem die Wicklung mit den Wickelkopf 11 und einem Statorblechpaket 14 des Stators 10 angeordnet sind. Die Wicklung mit dem Wickelkopf 11 wird zur Kühlung direkt mit einem fluidförmigen Kühlmedium beaufschlagt. Das Kühlmedium wird dazu durch einen Einlass 15 in einem Gehäuse 12 des Stators eingeleitet (mit einem Pfeil verdeutlicht), umspült den Wickelkopf 11, durchströmt die (hier nicht dargestellten) Statornuten und verlässt den Stator 10 an einem Auslass 16 (dargestellt als Pfeil).
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Um eine effektive Kühlung zu erreichen, muss dafür gesorgt werden, dass die Strömung des Kühlmediums durch den Stator 10 kontrolliert wird. Dazu weist die Trägerstruktur 2 an einem Stirnbereich 2.2 Leitschaufeln 4.1 und axiale Öffnungen 4.2 als Strömungsleitelemente 4 auf, welche die Strömung des Kühlmediums beeinflussen. Die axialen Öffnungen 4.2 lassen dazu gezielt Kühlmedium durch den Schaltring 1 passieren, während die Leitschaufeln 4.1 eine Richtungskomponente der Strömung ändern.
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In einem Leiteraufnahmebereich 2.1 der Trägerstruktur 2 sind ebenfalls Strömungsleitelemente 4 in Form von radialen Öffnungen 4.3 angeordnet. Der Leiteraufnahmebereich 2.1 der Trägerstruktur 2 umschließt den Leiter 3 und deckt den Wickelkopf 11 nach außen in radialer Richtung R vollständig ab. Der Leiter 3 überragt den Wickelkopf 11 in axialer Richtung A nicht, was die elektrische Maschine 100 in axialer Richtung A sehr kompakt werden lässt.
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Der Stirnbereich 2.2 der Trägerstruktur 2 ist rechtwinkelig zum Leiteraufnahmebereich 2.1 in einem von dem Leiteraufnahmebereich 2.1 umschlossenen Bereich angeordnet. Dabei sind die Leitschaufeln 4.1 auf einer dem Wickelkopf 11 zugewandten Seite des Stirnbereichs 2.2 angeordnet.
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Zur Befestigung des Schaltringes 1 an dem Gehäuse 12 weist die Trägerstruktur 2 Befestigungshilfen 2.3 auf. Diese sind mit dem Gehäuse 12 verschraubt und sorgen für einen sicheren Halt.
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2 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 200 weist eine elektrische Maschine 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf.
