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EINLEITUNG
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Elektrische Traktionsmotoren und Motor-Generator-Einheiten, die in der Technik allgemein als rotierende elektrische Maschinen bezeichnet werden, werden zur Ausführung von Arbeiten in einer Vielzahl von elektromechanischen Systemen eingesetzt. Zu solchen Maschinen gehört ein rotierendes Element, d.h. ein Rotor, der in geringem Abstand von einem stationären Element oder Stator angeordnet ist. In einer typischen Statorkonstruktion sind mehrere Statorzähne an einem Ende an einem zylindrischen Statorkern befestigt, die radial in Richtung des Rotors vorstehen. Benachbarte Statorzähne sind durch eine entsprechende Statornut voneinander getrennt, wobei die distalen Enden der benachbarten Statorzähne durch eine Zahnlücke voneinander beabstandet sind. Jede Statornut wird mit leitfähigen Drähten oder massiven Stabsegmenten gefüllt, um einen Satz Statorwicklungen zu bilden. In einer mehrphasigen rotierenden elektrischen Maschine wird eine Wechselstrom-Eingangsspannung („AC“) an die Statorwicklungen angelegt, um den Stator zu erregen. Die Wechselwirkung zwischen den jeweiligen Magnetfeldern von Rotor und Stator erzeugt schließlich Kräfte im Rotor-Stator-Luftspalt. Daraus resultiert eine Drehung des Rotors, wobei diese Drehung anschließend auf eine Last gerichtet ist.
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Eine rotierende elektrische Maschine kann erhebliche Wärmemengen erzeugen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die elektrische Maschine bei hohen Drehzahlen und Ausgangsdrehmomenten arbeitet. Obwohl die oben erwähnten Statorwicklungen gut isoliert sind, um die elektrische Isolierung der einzelnen Phasenwicklungen zu gewährleisten, wird bei anhaltendem Hochleistungsbetrieb dennoch Wärme erzeugt. Wärme, die durch Kupfer- und Eisenverluste im Stator entsteht, kann schließlich die Isolierung verschlechtern. Daher werden bei der Konstruktion des Stators Wärmemanagementsysteme eingesetzt, um die Statortemperatur zu regulieren. Beispielsweise werden die Endwicklungen des Stators, die an den distalen Enden des Stators freiliegen können, häufig mit Kühlmittel besprüht, oder das Statorgehäuse wird mit einem Kühlmantel umhüllt.
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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die verbesserte konvektionsbasierte Kühlung eines Stators innerhalb einer rotierenden elektrischen Maschine. Insbesondere ist jede der oben beschriebenen Statornuten an ihren beiden radialen Enden vollständig umschlossen, um einen Kühlmittelkanal in der Nut zu konstruieren. Ein für die Anwendung geeignetes Kühlmittel, wie z.B., aber nicht nur, Automatikgetriebeflüssigkeit, wird zu einem Kühlmittelverteiler zirkuliert, der an den axialen Enden des Stators angeordnet ist. Der Kühlmittelverteiler leitet das Kühlmittel axial in die im Schlitz angeordneten Kühlmittelkanäle, wobei das eingelassene Kühlmittel anschließend axial durch den Stator fließt. Indem die Statornuten auf diese Weise umschlossen werden, entsteht eine gleichmäßige/360°-Kühlmittelströmung um die Stableiter, die die Statorwicklungen bilden. Der elektromagnetische Wirkungsgrad der elektrischen Maschine wird dadurch bei minimaler Beeinträchtigung der Drehmomentleistung optimiert, indem die Wärme aus dem Stator direkt von seiner Quelle, d.h. den erregten Statorwicklungen, abgeführt wird.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die rotierende elektrische Maschine eine Rotorbaugruppe, einen Stator, Statorwicklungen und den oben erwähnten Kühlmittelverteiler. Die Rotorbaugruppe umfasst einen Rotor und eine Rotorwelle, die miteinander verbunden und so eingerichtet sind, dass sie sich um eine Rotationsachse drehen. Der Stator, der vom Rotor durch einen Stator-Rotor-Luftspalt beabstandet ist, hat einen Satz von Statorzähnen, die zusammen Statornutenschlitze definieren. Distale radiale Enden benachbarter Paare von Statorzähnen sind miteinander verbunden oder einstückig ausgebildet, so dass die Statornuten vollständig umschlossen sind, d.h. nicht an den Luftspalt angrenzen. Die hier betrachteten Statorwicklungen bestehen aus Stangen- oder „Haarnadel“-Leitern, die sich innerhalb der Statornuten axial durch den Stator erstrecken.
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Der Kühlmittelverteiler in dieser speziellen Ausführung steht in Flüssigkeitsverbindung mit einer Kühlmittelzufuhr, ist aus nichtmagnetischem Material hergestellt und so eingerichtet, dass er gegen eine axiale Endfläche des Stators abdichtet. Die Abdichtung auf diese Weise umschließt einen Teil der Statorwicklungen, d.h. die freiliegenden Windungen der Statorwicklungen, wie sie von gewöhnlichen Fachleuten auf diesem Gebiet geschätzt werden. Der Kühlmittelverteiler nimmt Kühlmittel aus der Kühlmittelzufuhr auf, leitet das aufgenommene Kühlmittel durch die axiale Stirnfläche des Stators in die eingeschlossenen Statornuten und kühlt dadurch den Stator durch erzwungene Konvektion.
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Die Querschnittsform der Statorwicklungen kann in einigen Ausführungsformen ein nicht rechteckiges Polygon und in anderen eine rechteckige Form aufweisen.
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Eine Außenumfangsfläche von mindestens einer der Statorwicklungen kann optional einen konkaven Kanal definieren, der so eingerichtet ist, dass er einen größeren Teil des Kühlmittels entlang der Außenumfangsfläche leitet.
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Der Kühlmittelverteiler kann gegenüberliegende axiale Wände aufweisen, die durch eine radiale Wand verbunden sind, so dass ein Verteilerkanal durch den Kühlmittelverteiler und die axiale Endfläche des Stators definiert wird. Die axialen Wände stoßen an die Stirnfläche des Stators und dichten gegen diese ab, um dadurch die Statorwicklungen innerhalb des Verteilerkanals einzukapseln. Eine der axialen Wände kann eine abgeschrägte Fläche aufweisen, wobei die Statorwicklungen über die abgeschrägte Fläche radial nach außen geneigt sind.
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Ein Vorspannelement kann verwendet werden, um eine kontinuierliche Druckkraft auf den Kühlmittelverteiler auszuüben. Das Vorspannelement kann zum Beispiel ein Befestigungselement, ein Träger oder eine andere Struktur sein, die so eingerichtet ist, dass sie gegen ein stationäres Element reagiert, um dadurch die kontinuierliche Druckkraft auszuüben.
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Der Abstand zwischen benachbarten Statorwicklungen innerhalb jeder der eingeschlossenen Statornuten kann ungleichmäßig verteilt sein, so dass mehr Kühlmittel zu den Statorwicklungen geleitet wird, die sich in der Nähe einer Oberfläche des Außendurchmessers des Stators befinden, als zu den Statorwicklungen, die sich in der Nähe einer Oberfläche des Innendurchmessers des Stators befinden.
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Bei einigen Anwendungen kann die Rotorwelle mit einer angetriebenen Last verbunden sein, z.B. an Bord eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlmittelpumpe. In einer solchen Ausführung wird das Kühlmittel über die Kühlmittelpumpe umgewälzt.
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Auch ein elektrisches Antriebssystem wird hier offenbart. Eine Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems umfasst eine Kühlmittelversorgung, ein Hochspannungs-Batteriepaket, einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler („DC-DC“), der mit dem Hochspannungs-Batteriepaket verbunden ist, ein Traktionsstrom-Inverter-Modul („TPIM“), das mit dem DC-DC-Wandler verbunden und so eingerichtet ist, dass es eine Wechselspannung („AC“) ausgibt, und die oben erwähnte rotierende elektrische Maschine. Die elektrische Maschine in dieser Ausführung ist eine mehrphasige rotierende elektrische Maschine, die mit dem TPIM verbunden ist und über die Wechselspannung gespeist wird.
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Es wird auch ein Verfahren zur Kühlung eines Stators einer rotierenden elektrischen Maschine vorgestellt. Das Verfahren kann die Bereitstellung des oben erwähnten Stators umfassen, der durch einen Stator-Rotor-Luftspalt vom Rotor beabstandet ist und Statorzähne aufweist, die zusammen Statornuten definieren. Distale radiale Enden benachbarter Paare von Statorzähnen werden miteinander verbunden oder einstückig geformt, so dass die Statornuten nicht an die Luftspalte angrenzen. Die Statorwicklungen bestehen aus haarnadel- oder stabförmigen Leitern und erstrecken sich innerhalb der Statornuten axial durch den Stator.
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Das Verfahren umfasst die Abdichtung eines ringförmigen Kühlmittelverteilers gegen eine axiale Endfläche des Stators, um dadurch einen Teil der Statorwicklungen darin einzuschließen. Das Verfahren umfasst auch die Zirkulation von Kühlmittel aus einer Kühlmittelzufuhr in die eingeschlossenen Statornuten durch die axiale Endfläche des Stators über den ringförmigen Kühlmittelverteiler, um dadurch den Stator durch erzwungene Konvektion zu kühlen.
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Die obige Zusammenfassung ist nicht dazu gedacht, jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darzustellen. Vielmehr soll die vorstehende Zusammenfassung einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, die hier offenbart wurden, veranschaulichen. Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen und Modalitäten für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Figuren und den beigefügten Ansprüchen genommen wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften mobilen Plattform mit einer rotierenden elektrischen Maschine, deren Stator durch erzwungene Konvektion im Schlitz gekühlt wird, wie hier dargelegt.
- 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils der in 1 gezeigten elektrischen Maschine mit geschlossenen Statornuten, die als Kühlmittelkanäle in den Nuten funktionieren.
- 3A und 3B sind schematische Querschnittsabbildungen von stabförmigen Leitern, die in dem in 2 gezeigten Stator verwendet werden können.
- 4 ist eine Querschnittsdarstellung der in 1 gezeigten elektrischen Maschine einschließlich eines Kühlmittelverteilers für die Statorkühlung im Schlitz.
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Die vorliegende Offenbarung ist empfänglich für Änderungen und alternative Formen, wobei in den Figuren repräsentative Ausführungsformen beispielhaft gezeigt und im Folgenden ausführlich beschrieben werden. Die erfinderischen Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen umfassen, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei sich die Bezugsziffern auf die gleichen oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Abbildungen beziehen, ist ein elektrisches Antriebssystem 10 in 1 schematisch dargestellt. Das elektrische Antriebssystem 10 umfasst eine rotierende elektrische Maschine 12 mit einer Rotorbaugruppe („R“) 14 und einem Stator („S“) 16. Der Stator 16 erzeugt Wärme während des Dauerbetriebs der elektrischen Maschine 12 mit hoher Leistung und hohem Drehmoment. Die vorliegenden Lehren sollen daher eine effiziente, auf erzwungener Konvektion basierende Echtzeitkühlung des Stators 16 unter Verwendung eines Kühlmittelverteilers 60A, wie hier dargelegt, ermöglichen.
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Ein anwendungsgerechtes Kühlmittel 21, z.B. Automatikgetriebeöl („ATF“) oder ein verdünntes Ethylenglykol-Gemisch, kann in einem Sumpf 22 gelagert und mit einer Kühlmittelpumpe („P“) 20 umgewälzt werden, wobei der resultierende Kühlmittelstrom 21 durch Pfeil F angezeigt wird. Das Kühlmittel 21 wird in den Kühlmittelverteiler 60A geleitet, der wiederum gegen den Stator 16 abdichtet. Der Kühlmittelverteiler 60A leitet das Kühlmittel 21 in den Stator 16, auf dem das Kühlmittel 21 über eine geschlossene Schlitzkonstruktion axial durch den Stator 16 strömt, wie unten mit Bezug auf 2-4 ausführlich beschrieben, und schließlich über einen zusätzlichen Kühlmittelverteiler 60B (siehe 4) in einigen Ausführungsformen austritt.
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Bei dem in 1 beispielhaft dargestellten elektrischen Antriebssystem 10 ist die Rotorbaugruppe 14 neben dem Stator 16 angeordnet und von diesem durch einen Luftspalt G getrennt (siehe 2). In einigen Konfigurationen der elektrischen Maschine 12 kann die Rotorbaugruppe 14 konzentrisch innerhalb des Stators 16 angeordnet sein, d.h. der Stator 16 kann die Rotorbaugruppe 14 umschreiben und umgeben. Die elektrische Maschine 12 würde somit eine Radialflussmaschine verkörpern, und der oben erwähnte Luftspalt G wäre ein radialer Stator-Rotor-Luftspalt. Andere Konfigurationen der elektrischen Maschine 12 können realisiert werden, bei denen die relativen Positionen der Rotorbaugruppe 14 und des Stators 16 vertauscht sind, wobei die Rotorbaugruppe 14 den Stator 16 umschreibt und umgibt und der Luftspalt G radial bleibt. Zur Veranschaulichung wird im Folgenden die Ausführung von 1, bei der die Rotorbaugruppe 14 radial innerhalb des Stators 16 liegt, beschrieben, ohne die Konstruktion auf eine solche Konfiguration zu beschränken.
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Das elektrische Antriebssystem 10 verfügt über einen Wechselspannungsbus 13 mit Wechselstrom („AC“). Der Wechselspannungs-Bus 13 kann selektiv über ein Traktionsstrom-Inverter-Modul („TPIM“) 28 unter Verwendung eines Hochspannungs-Batterie-Packs („BHV“) 24, z.B. einer mehrzelligen Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Nickel-Metallhydrid- oder einer anderen Hochenergie-Spannungsversorgung, gespeist werden. Der Wechselspannungsbus 13 leitet eine Wechselspannung („VAC“) zu oder von den Phasenwicklungen der elektrischen Maschine 12, um ein Ausgangsdrehmoment zu erzeugen (Pfeil TM). Das Ausgangsdrehmoment (Pfeil TM) von der erregten elektrischen Maschine 12 wird dann, wenn sie in einem Antriebs- oder Motormodus betrieben wird, auf eine angeschlossene Rotorwelle 50 übertragen und an eine gekoppelte Last („L“) 52 geleitet, z.B. durch nicht notwendigerweise auf Straßenräder eines Kraftfahrzeugs, eine Propellerwelle oder einen Antriebsriemen beschränkt.
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Das in 1 schematisch dargestellte elektrische Antriebssystem 10 kann auch einen Gleichspannungs-Bus 15 enthalten, an den ein Gleichstrom/Gleichstrom („DC-DC“)-Wandler 26 angeschlossen ist. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 26 ist so eingerichtet, dass er eine relativ hohe Gleichspannung („VDC“) nach Bedarf durch interne Schalt- und Filtervorgänge reduziert oder erhöht, wie dies von denjenigen mit gewöhnlichem Geschick in der Technik geschätzt wird. Der Gleichspannungswandler 26 wird zwischen dem Batteriepack 24 und dem TPIM 28 über positive (+) und negative (-) Schienen einer Hochspannungsseite des Gleichspannungsbusses 15 angeschlossen. In einigen Konfigurationen kann ein Niederspannungs-/Hilfsbatterie-Pack („BAUX“) 124 an die positiven (+) und negativen (-) Schienen einer Niederspannungsseite des Gleichspannungsbusses 15 angeschlossen werden, wobei der Hilfsbatterie-Pack 124 möglicherweise als Bleibatterie oder als Batterie aus einer anderen anwendungsgerechten Chemie ausgeführt ist und so eingerichtet ist, dass er eine 12-15V-Hilfsspannung („VAUX“) speichert oder an eine oder mehrere angeschlossene Hilfsvorrichtungen liefert (nicht abgebildet).
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Unter Bezugnahme auf 2 enthält die elektrische Maschine 12 die oben erwähnte Rotorbaugruppe 14. Einige Ausführungsformen der Rotorbaugruppe 14 enthalten einen zylindrischen Rotor 40 mit einem eingebetteten Satz von Rotormagneten 55. Die Rotormagnete 55 können z.B. als Permanentmagnete aus Ferrit, Neodym-Eisen-Bor („NdFeB“), Samarium-Kobalt („SmCo“) oder einem anderen für die Anwendung geeigneten Magnetmaterial ausgeführt sein. Die Rotormagnete 55 können auf einzelne Stahlschichtlagen des Rotors 40 montiert und/oder darin eingebettet werden. Die Konstruktion des Rotors 40 kann je nach Anwendung variieren, daher ist die Darstellung in 2 beispielhaft für nur eine mögliche Ausführungsform des Rotors 40.
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Der Stator 16 hat eine zylindrische Form, um den ebenfalls zylindrischen Rotor 40 der Rotorbaugruppe 14 in der abgebildeten Beispielausführung zu umschreiben, und ist vom Rotor 40 durch den oben erwähnten Luftspalt G getrennt. In einer solchen Konfiguration können der Stator 16 und der Rotor 40 aus einem entsprechenden Stapel dünner Laminierungsschichten aus Elektrostahl oder einem anderen eisenhaltigen Material, z.B. 2-5 mm dick, hergestellt werden, wie dies von denjenigen geschätzt wird, die über gewöhnliches Geschick in der Kunst verfügen.
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Der Stator 16 hat ebenfalls radial abstehende Statorzähne 32. Jeder Statorzahn 32 erstreckt sich von einem zylindrischen Statorgehäuse 30 radial nach innen, wobei das Statorgehäuse eine Oberfläche mit einem Außendurchmesser von 160 hat. Die Statorzähne 32 erstrecken sich somit von dem Statorgehäuse 30 nach innen in Richtung einer Außendurchmesserfläche 140 des Rotors 40. Benachbarte Statorzähne 32 sind durch eine entsprechende Statornut 33 voneinander getrennt, d.h. jede Statornut 33 ist durch ein benachbartes Paar der Statorzähne 32 definiert und flankiert. Die Statorwicklungen 35 werden dann innerhalb der Statornuten 33 positioniert.
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In den abgebildeten Ausführungen sind die Statorwicklungen 35 als Stangensegmente aus Kupfer oder einem anderen elektrisch leitenden Material ausgeführt. Stabförmige Leiter, die allgemein als „Haarnadel“-Leiter bezeichnet werden, sind daher massiver und steifer als die zylindrischen Kupferdrähte, die typischerweise um die Statorzähne 32 gewickelt oder gewickelt sind. Wie oben erwähnt, wird ein rotierendes Statormagnetfeld erzeugt, wenn die Statorwicklungen 35 nacheinander durch eine Ausgangswechselspannung, z.B. von dem in 1 dargestellten TPIM 28, erregt werden. Stator-Magnetpole, die aus dem resultierenden rotierenden Statorfeld gebildet werden, interagieren mit Rotorpolen, die von den verschiedenen Rotormagneten 55 des Rotors 40 bereitgestellt werden. Die im Stator-Rotor-Luftspalt G erzeugten Kräfte drehen schließlich die Rotorwelle 50 und die gekoppelte Last 52 aus 1.
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Wie von denjenigen mit gewöhnlichem handwerklichem Geschick geschätzt wird, würden sich die Statorzähne eines typischen Stators radial nach innen in Richtung eines Rotors erstrecken, so dass jeder Statorzahn einen Ausleger mit einem distalen Ende bildet. Benachbarte Statorzähne sind durch eine Öffnung oder Zahnlücke eine kurze Strecke voneinander getrennt, wobei die Zahnlücken an die Stator-Rotor-Luftlücke G angrenzen. Mit anderen Worten, die Statornuten einer typischen rotierenden elektrischen Maschine sind zum Stator-Rotor-Luftspalt G hin offen. Im Gegensatz dazu hat jeder der Statorzähne 32 der vorliegenden Offenlegung, wie in 2 gezeigt, ein Ende 360, das mit dem Statorgehäuse 30 verbunden ist, und ein distales Ende 33E, das sich neben der Außendurchmesserfläche 140 des Rotors 40 befindet. Die distalen Enden 33E definieren zusammen eine Innendurchmesserfläche 260 des Stators 16, wobei zwei unmittelbar benachbarte distale Enden 33E durch den Bereich 36 in 2 gekennzeichnet sind. Die Statornutenschlitze 33 der benachbarten Statorzähne 32 sind daher im Bereich 36 vollständig geschlossen, so dass keiner der Statornutenschlitze 33 an den Stator-Rotor-Luftspalt G angrenzt oder in diesen mündet.
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Um einen Stator 16 mit einer solchen Konfiguration zu konstruieren, werden die Statorzähne 32 bei der Herstellung des Stators 16 miteinander verbunden oder integral geformt. Zum Beispiel können die oben erwähnten dünnen Blechschichten einzeln mit einem Werkzeug (nicht abgebildet) gestanzt werden, das die gewünschte Form der Statornuten 33 von 2 hat. Die Statornutenschlitze 33 ergeben sich, wenn solche Blechschichten aufeinander gestapelt und miteinander verbunden werden. Die sich ergebenden Schlitze 33 zwischen benachbarten Statorzähnen 32, die im Folgenden als In-Slot-Kühlmittelkanäle 33C bezeichnet werden, werden dann als Flüssigkeitskanal für die axiale Zirkulation des Kühlmittels 21 aus 1 durch den Stator 16 verwendet. Dadurch wird die Kühlung des Stators 16 durch erzwungene Konvektion ermöglicht.
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Unter kurzer Bezugnahme auf 3A und 3B können die Statorwicklungen 35 von 2 alternativ als Statorwicklungen 135 (3A) oder 235 (3B) ausgeführt werden. Innerhalb der Nuten 33 von 2 können die Kupferverluste in der Nähe der Innendurchmesserfläche 260 des Stators 16 höher sein. Infolgedessen wäre es vorteilhaft, die Statorwicklungen 35, 135 oder 235 so zu konfigurieren, dass mehr vom Kühlmittel 21 in Bereiche geleitet wird, die sich in der Nähe der Innendurchmesserfläche 260 befinden. Anstatt beispielsweise die Statorwicklungen 35 aus 2 zu verwenden, die einen rechteckigen Querschnitt haben, können eine oder mehrere Außenumfangsflächen 135P der Statorwicklung 135 so modifiziert werden, dass sie mehr Kühlmittel 21 relativ zu anderen Außenumfangsflächen 135P oder relativ zu einer quadratischen oder rechteckigen Querschnittsform leiten.
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Zum Beispiel können eine oder mehrere Ecken 37 der Statorwicklungen 135 von 3A entfernt werden, um mehr von dem Kühlmittel 21 in einen bestimmten Bereich zu leiten, und/oder die äußeren Umfangsflächen 235P der Statorwicklungen 235 von 3B können gestanzt oder anderweitig geformt werden, um halbkreisförmige Rinnen 39 zu bilden. Einige dieser Rinnen 39 könnten größer sein, wenn sie der Fläche 260 des Innendurchmessers des Stators 16 aus 2 am nächsten liegen, wie die vergrößerte Rinne 39A aus 3B. Die Größe, Form und/oder Anordnung solcher Rinnen 39 oder 39A kann je nach Anwendung variieren, um eine gewünschte Durchflussrate und Verteilung des Kühlmittels 21 innerhalb der Schlitz-Kühlmittelkanäle 33C von 2 zu erreichen. Ebenso können Statorwicklungen 35 mit anderen nicht rechteckigen Profilen oder Merkmalen vorgesehen werden, die hier nicht beschrieben sind, z.B. sternförmig, dreieckig oder eine andere Polygonform, und daher sind die beispielhaften Formen von 3A und 3B ohne Einschränkung ein Beispiel für die vorliegenden Lehren.
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Unter Bezugnahme auf 4 ist ein repräsentativer Querschnitt der elektrischen Maschine 12 aus 1 in Bezug auf eine Drehachse AA der Rotorbaugruppe 14 dargestellt. Die elektrische Maschine 12 ist zur Veranschaulichung der Einfachheit in axialer Richtung durch gezackte Schnittlinien verkürzt, was zu würdigen ist, weshalb 4 schematisch und nicht unbedingt proportional sein soll. Das heißt, die Rotorbaugruppe 14 einschließlich des („R“-)Rotors 40 und der Rotorwelle 50 dreht sich innerhalb des Stators („S“) 16, wenn die Statorwicklungen 35 erregt werden. Die Rotorwelle 50 kann für die gemeinsame Drehung von Rotor 40 und Rotorwelle 55 mit dem Rotor 40 verzahnt oder gelagert oder einstückig mit diesem geformt sein. Die Rotormagnete 55 sind in der abgebildeten Ausführung in den Rotor 40 eingebettet. Der Stator 16 befindet sich radial außerhalb des Rotors 40, wobei der Rotor 40 an jedem Ende durch eine Lagerbaugruppe (nicht abgebildet) drehbar gelagert ist, wie dies von denjenigen mit gewöhnlichem Geschick in der Kunst geschätzt wird.
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Zur konvektiven Kühlung des Stators 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der in 1 schematisch im Profil dargestellte Kühlmittelverteiler 60A in Draufsicht ringförmig/kreisförmig ausgebildet und an einer distalen Stirnfläche 70 des Stators 16 montiert. Der Kühlmittelverteiler 60A, der in der gezeigten „montierten“ Position die Drehachse AA umschreibt, kann aus Aluminium, Kunststoff oder einem anderen nichtmagnetischen Material hergestellt sein. Der Kühlmittelverteiler 60A in einer möglichen Konstruktion umfasst gegenüberliegende axiale Wände 74, die durch eine radiale Wand 75 verbunden sind, so dass ein Verteilerkanal 76 durch den Kühlmittelverteiler 60A und die Endfläche 70 des Stators 16 definiert wird.
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Zum Beispiel stoßen die Stirnflächen 74E der axialen Wände 74 an die Stirnfläche 70 des Stators 16 an und dichten gegen diese ab, um dadurch die Statorwicklungen 35 innerhalb des Verteilerkanals 76, wie dargestellt, einzukapseln. Um eine einwandfreie Abdichtung zu gewährleisten, kann ein Vorspannelement 65, z.B. ein Bolzen oder ein Balken, gegen ein stationäres Element 80 wirken, um eine kontinuierliche Druckkraft (Pfeil FC) auf den Kühlmittelverteiler 60A auszuüben. Zusätzlich definieren die Stirnflächen 74E Löcher oder Schlitze 79, die den Durchgang der Statorwicklungen 35 in die Statornuten 33 ermöglichen (siehe 2). Das Kühlmittel 21 aus 1 wird dann, wie durch Pfeil F angegeben, nach unten in den Kühlmittelverteiler 60A geleitet, z.B. durch einen Flüssigkeitseinlass 78, der durch die oberste axiale Wand 74 definiert ist, woraufhin das eingelassene Kühlmittel 21 axial durch den Stator 16 über die in 2 dargestellten, in den Schlitz-Kühlmittelkanälen 33C durch den Stator 16 fließt.
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Ebenfalls in 4 ist an einem gegenüberliegenden Ende des Stators 16 ein weiterer Kühlmittelverteiler 60B dargestellt. Der Kühlmittelverteiler 60B ist so eingerichtet, dass der Kühlmittelstrom (Pfeil F) den Stator 16 an einer gewünschten Stelle oder an gewünschten Stellen, z.B. über einen Fluidauslass 79, verlässt. Wie zu schätzen ist, kann ein solches Ende auch freiliegende Phasenleitungen (nicht abgebildet) enthalten, die durch den Fluidauslass 79 verlaufen und letztlich mit dem TPIM 28 von 1 verbunden sind. Die Wicklungen der freiliegenden Phasen und möglicherweise andere Strukturen wie Zahnradsätze und Lager können es relativ schwierig machen, den Kühlmittelverteiler 60B zum Stator 16 vollständig abzudichten, wenn eine perfekte ringförmige Ausführung des Kühlmittelverteilers 60B verwendet wird. Daher kann die aus Gründen der Klarheit und Einfachheit dargestellte ringförmige Konstruktion des Kühlmittelverteilers 60B bei Bedarf modifiziert werden, um eine solche dazwischenliegende oder umgebende Struktur aufzunehmen, so dass eine perfekt ringförmige Konstruktion, d.h. bei der der Kühlmittelverteiler 60B in der Draufsicht einen kreisförmigen Umfang hat, nur an einem Ende der elektrischen Maschine 12 möglich ist.
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Wie oben erwähnt, wird das Kühlmittel 21 in Form von ATF häufig direkt auf freiliegende Phasenleiter des Stators 16 gesprüht und/oder verschüttet. Das Kühlmittel 21 setzt sich danach durch Schwerkraft ab und wird in den Sumpf 22 von 1 zurückgeführt. Daher ist es nicht unbedingt erforderlich, dass der Kühlmittelverteiler 60A um seinen Umfang herum vollständig abgedichtet ist, vorausgesetzt, die in 1 gezeigte Pumpe 20 ist so eingerichtet, dass die erforderliche Durchflussmenge des Kühlmittels 21 durch den Stator 16 aufrechterhalten wird. Ein gewisses Verschütten oder Überlaufen kann auftreten und tatsächlich von Vorteil sein. Die Statorwicklungen 35 können, wie gezeigt, radial nach außen geneigt sein, z.B. über eine Rampenfläche 174 einer der axialen Wände 74, so dass der Kühlmittelverteiler 60A mit einer substantielleren oder steiferen Konstruktion versehen ist. Indem die Statornuten 33 des Stators 16 auf die oben beschriebene Weise im Wesentlichen umschlossen werden, wird eine gleichmäßige/360°-Strömung um jede der Statorwicklungen 35 ermöglicht, wobei das Kühlmittel 21 dadurch die Wärme direkt von seiner Quelle abführt.
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Ein richtiger Abstand der Statorwicklungen 35 innerhalb des Verteilerkanals 76 von 4 trägt dazu bei, eine optimale Verteilung des Kühlmittels 21 innerhalb der oben erwähnten Schlitz-Kühlmittelkanäle 33C von 2 zu gewährleisten. Das heißt, wenn die umgebenden Räume zwischen den benachbarten Statorwicklungen 35 innerhalb der Nuten 33 zu groß sind, kann dies zu einer suboptimalen Kühlung führen, da sich das Kühlmittel 21 schnell in Richtung der radial inneren Bereiche der Schlitz-Kühlmittelkanäle 33C in der Nähe des Rotors 40 absetzt. Wenn der Raum zwischen benachbarten Statorwicklungen 35 jedoch zu klein ist, wird die Strömung des Kühlmittels 21 in den Schlitz-Kühlmittelkanälen 33C tendenziell gleichmäßig sein. Gleichzeitig kann zusätzlicher Flüssigkeitsdruck erforderlich sein, um das Kühlmittel 21 durch die Schlitz-Kühlmittelkanäle 33C zu zirkulieren.
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Bezieht man sich wieder auf 2, so können z.B. die Schlitze 33 im Querschnitt eine länglich rechteckige Form haben, d.h. sie erstrecken sich radial zwischen der inneren Durchmesserfläche 260 des Stators 16 zur äußeren Durchmesserfläche 160. Benachbarte Statorzähne 32 sind, wie oben erwähnt, im Bereich 36 vollständig geschlossen, so dass die Statornuten 33 nicht an den Stator-Rotor-Luftspalt G angrenzen oder zu diesem hin offen sind. Der Abstand in einer solchen Ausführung kann an einem Beispiel erläutert werden, bei dem die Fläche der Nut 33 etwa 50 mm2 beträgt. Die Querschnittsfläche der Statorwicklungen 35 innerhalb des Schlitzes 33 beträgt bei Verwendung von sechs Kupferstäben, wie dargestellt, etwa 35 mm2. Wie zu schätzen ist, würde die Statornut 33 um ihren Umfang herum auch Isoliermaterial enthalten, das weitere 8mm2 verbraucht. Somit reduziert sich die Gesamtfläche der Nut von 50 mm2 in dieser nicht einschränkenden Beispielausführung auf etwa 7 mm2. Der verfügbare Abstand von 7mm2 kann also innerhalb des Schlitzes 33 so verteilt werden, dass mehr Platz in der Nähe der Statorwicklungen 35 in der Nähe der Oberfläche des Außendurchmessers 160 des Stators 16 zur Verfügung steht.
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Wie zu begrüßen ist, bietet sich die obige Offenlegung als Methode zur Kühlung des Stators 16 an. Die Methode kann z.B. darin bestehen, den Stator 16 aus 2 bereitzustellen, d.h. er ist vom Rotor 40 durch den Stator-Rotor-Luftspalt G beabstandet und hat Statorzähne 32, die zusammen die Statornutenschlitze 33 definieren. Die distalen Enden 33E benachbarter Paare der Statorzähne 32 sind miteinander verbunden oder einstückig ausgebildet, so dass die Statornuten 33 nicht an die Luftspalte G angrenzen. Die Statorwicklungen 35 sind aus haarnadel- oder stabförmigen Leitern aufgebaut und erstrecken sich axial durch den Stator 16 innerhalb der Statornuten 33.
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Die Methode kann das Abdichten des Kühlmittelverteilers 60A gegen eine axiale Endfläche 70 des Stators 16, wie in 4 gezeigt, umfassen, um dadurch einen Teil der Statorwicklungen 35 darin einzuschließen. Der zusätzliche Kühlmittelverteiler 60B kann gegen das gegenüberliegende distale Ende des Stators 16 abgedichtet werden, wie oben erläutert, z.B. mit einem anderen Vorspannelement 65. Kühlmittel 21 aus dem Sumpf 22 von 1 oder einer anderen Kühlmittelzufuhr wird durch die axiale Endfläche 70 über den Kühlmittelverteiler 60A in die eingeschlossenen Statornuten 33C von 2 geleitet, um dadurch den Stator 16 durch erzwungene Konvektion zu kühlen. Die Zirkulation des Kühlmittels 21 in die eingeschlossenen Statornuten 33C kann bei einigen Ausführungen die Zirkulation des Kühlmittels 21 entlang des konkaven Kanals 39 oder 39A von 3B beinhalten.
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Die Abdichtung des Kühlmittelverteilers 60A gegen die axiale Stirnfläche 70 des Stators 16 kann die Kapselung eines Teils der Statorwicklungen 35 innerhalb des Verteilerkanals 76 umfassen, der, wie in 4 gezeigt, durch gegenüberliegende axiale Wände 74 definiert ist, die durch eine radiale Wand 75 des Kühlmittelverteilers 60A verbunden sind. Eine der axialen Wände 74 kann die abgeschrägte Fläche 174 umfassen, und daher kann die Abdichtung des Kühlmittelverteilers 60A das Schrägstellen der Statorwicklungen 35 in einer radial nach außen gerichteten Richtung über die abgeschrägte Fläche 174 und möglicherweise die Verwendung des Vorspannelements 65 aus 4 umfassen, um die kontinuierliche Druckkraft (Pfeil FC) auf den Kühlmittelverteiler 60A auszuüben.
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Das Einschließen der Statornuten 33 zur Bildung der Schlitz-Kühlmittelkanäle 33C, wie oben beschrieben, bietet daher eine Vielzahl von Vorteilen über die effiziente Kühlung des Stators 16 hinaus. Einige Vorteile sind in erster Linie mechanischer oder struktureller Natur. Zum Beispiel bildet ein Statorzahn einer typischen elektrischen Maschine einen Ausleger. Da Ausleger per Definition nur an einem Ende gelagert sind, ist das freie Ende eines solchen Statorzahns anfällig für Vibrationen und Geräusche. Durch die Kapselung der Statornuten 33 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung werden solche Auskragungen eliminiert und dadurch die strukturelle Steifigkeit des Stators 16 erhöht. Nutengeräusche aufgrund der Drehmomentwelligkeit und die daraus resultierenden unerwünschten NVH-Effekte werden reduziert. Ebenso reduziert die offengelegte Konstruktion des Stators 16 die Drehmomentwelligkeit aufgrund der Minimierung des Schlitzeffekts innerhalb des Stator-Rotor-Luftspalts G, einschließlich einer möglichen Reduzierung der Windage- oder Widerstandsverluste im Stator-Rotor-Luftspalt G. Diese und andere mögliche Vorteile werden angesichts des Verzichts auf die Offenbarung von denjenigen mit gewöhnlichem handwerklichem Geschick leicht zu schätzen wissen.
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Während einige der bevorzugten Ausführungsformen und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen für die Ausübung der in den beigefügten Ansprüchen definierten gegenwärtigen Lehren. Diejenigen, die sich in dem Fachgebiet auskennen, werden erkennen, dass Änderungen an den offengelegten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale ein. Die detaillierte Beschreibung und die Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Lehren allein durch die Ansprüche definiert wird.
