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Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung einer elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs.
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Beim Betreiben einer elektrischen Maschine ist es erforderlich, ein auf den Stator wirkendes Reaktionsdrehmoment des drehenden Rotors abzustützen. Zu diesem Zweck wird üblicherweise das die Statorwicklung tragende Blechpaket mittels einer Übermaß- bzw. Presspassung unmittelbar an einem Gehäuse der Maschine festgelegt. Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, bei welcher das Blechpaket an einem separaten Statorträger festgelegt ist und wobei der Stator mit dessen Statorträger in einem Maschinengehäuse eingefügt und dort befestigt wird. Eine solche Anordnung ist beispielhaft in der
DE 10 2015 221 777 A1 dargestellt und beschrieben. Die Verbindung zwischen dem dort mehrteilig ausgebildeten Statorträger und dem Gehäuse ist als eine Schraubverbindung ausgeführt, wobei auf die Schraubbolzen Zugkräfte und zudem auch das vorgenannte Reaktionsmoment aufnehmende Querkräfte wirken. Diese Anordnung erfordert demnach eine besondere Dimensionierung der Schraubbolzen. Zudem kann die axial einseitige Abstützung des Reaktionsmoments zu einer Torsion des Statorblechpakets führen, was beim Gegenstand der
DE 10 2015 221 777 A1 durch axial verlaufende Stabilisierungsstäbe vermeiden werden soll.
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Bei einer als Fahrzeugantrieb ausgebildeten elektrischen Maschine bestehen hinsichtlich der Festlegung des Stators besonders hohe Anforderungen, da die sichere Drehmomentabstützung auch unter Temperaturwechselbelastungen im gesamten Betriebstemperaturbereich von etwa -40°C bis + 140°C sichergestellt sein muss. Durch den Einsatz von verschiedenen Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten und den sich daraus ergebenden resultierenden Längen und Durchmesseränderungen der Elemente der Statoranordnung gestaltet es sich konstruktiv schwierig, eine optimale Auslegung der Fügebereiche zu erzielen. Zwischen dem Statorträger und dem Gehäuse können weiter, wie das grundsätzlich auch in der
DE 10 2015 221 777 A1 gezeigt ist, ein Fluidkühlmantel und zusätzlich zu der Fügeverbindung ausgebildete Dichtungsanordnungen vorhanden sein. In diesem Fall können Temperaturänderungen zusätzlich auch durch eingeschlossene Luftvolumina Druckänderungen und dadurch induzierte Bauteilverspannungen und gegebenenfalls auch Leckagen zur Folge haben. Die vorbekannte Lösung kann in weiterer Hinsicht auch hinsichtlich eines Noise-Vibration-Harshness-Verhaltens (kurz NVH), das heißt dem Phänomen des unerwünschten Auftretens von gegenseitigen Bauteile- und Aggregate-Schwingungen und damit verbundenen störenden Geräuschen nachteilig sein.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Statoranordnung einer elektrischen Maschine der eingangsgenannten Art zu verbessern und dabei die zuvor beschriebenen Nachteile zu überwinden.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Statoranordnung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen und in weiterer Hinsicht mit einer elektrischen Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren entnehmbar.
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Demnach wird eine Statoranordnung einer elektrische Maschine vorgeschlagen, welche einen im Wesentlichen zylinderförmigen Statorträger mit einer radial inneren Fügefläche und mit einer radial äußeren Fügefläche umfasst, wobei an der inneren Fügefläche ein Blechpaket angeordnet ist und wobei der Statorträger mit der äußeren Fügefläche von einer inneren Fügefläche eines Gehäuses der elektrischen Maschine aufgenommen ist.
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Gemäß der Erfindung ist zunächst vorgesehen, die Verbindung zwischen dem Statorträger und dem Gehäuse mit einer Übermaßpassung auszuführen. Es hat sich diesbezüglich jedoch herausgestellt, dass bei Vorsehen einer üblichen, also einer umfangsmäßig geschlossenen Übermaßpassung infolge von unvermeidbaren Fertigungs- und Montagetoleranzen der Teile örtlich unerwünscht hohe mechanische Spannungen auftreten können. Das ist weiter auch insbesondere der Fall, wenn zumindest einer der Fügepartner nicht rotationssymmetrisch um die gemeinsame Mittel- und Fügeachse ausgebildet ist. Bei einer ungünstigen Verkettung dieser Toleranzen können bezüglich der gegenseitigen Ausrichtung zu angrenzenden Bauteilen Fehlpassungen erzeugt werden, welche eine Nachbearbeitung des Fügeverbunds erforderlich macht oder welche die bereits erzeugte Baugruppe unbrauchbar machen.
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Die Erfinder haben erkannt, dass bei einer üblichen Presspassung von Statorträger und Gehäuse bezüglich der Mittelachse in Umfangsrichtung keine symmetrische Verteilung von mechanischen Spannungen auftritt. Vielmehr treten aufgrund von konstruktiv bedingten Symmetrieabweichungen der gefügten Bauteile in verschiedenen radialen Richtungen mechanische Spannungsspitzen auf.
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Es ist gemäß der Erfindung weiter vorgesehen, eine der miteinander zusammenwirkenden Fügeflächen von Statorträger und Gehäuse in Umfangsrichtung unterbrochen auszubilden.
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Durch die sich dadurch ergebende in Umfangsrichtung unterbrochene Übermaßpassung der Verbindungspartner kann eine übermäßige Verspannung und eine gegebenenfalls daraus resultierende Verformung der Fügepartner an kritischen Positionen vermieden werden. Eine solche Position kann ein Befestigungsbereich des Statorträgers in Form eines segmentierten Ringkragens oder von einzelnen Schraublaschen zur Verschraubung mit dem Maschinengehäuse sein.
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Im Ergebnis sind auch die sonst damit verbundenen nachteiligen Effekte wie Fehlpassungen bzw. Fehlorientierungen zu Nachbarbauteilen oder Leckageprobleme verringert oder ganz beseitigt. Eine Nachbearbeitung der aus den Fügepartnern bestehenden Einheit oder eines damit zusammenwirkenden Elements kann entfallen. Zugleich ist durch die Unterbrechung der Fügefläche ein Druckausgleichskanal für ein zwischen einer Fügefläche und einer Dichtungsanordnung befindlichen Luftvolumens geschaffen. Dadurch treten bei Temperaturänderungen infolge von Volumenänderungen keine zusätzlichen mechanischen Spannungen auf.
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Zur axialen Festlegung des Stators zwischen dem Statorträger und dem Maschinengehäuse eingesetzte Schraubbolzen oder andere axiale Befestigungsmittel erfahren zumindest im Wesentlichen keine Querkräfte und können dadurch hauptsächlich auf deren Zugbelastung optimiert werden. Die Abstützung eines auftretenden Reaktionsmoments erfolgt durch die vorgesehene Übermaßpassung zwischen dem Statorträger und dem Gehäuse also zumindest im Wesentlichen ohne Mitwirkung der axialen Verbindungsmittel. Auf diese Weise kann das Reaktionsmoment axial entlang der Erstreckung des Stators verteilt werden, so dass dadurch eine Torsion des Blechpakets vermieden werden kann.
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Durch die vorgeschlagene Übermaßpassung ist der Statorträger mit dem daran festgelegten Blechpaket stärker an das Maschinengehäuse gekoppelt, so dass ein gegenseitiges Schwingen dieser Teile zumindest stark eingeschränkt und unterdrückt ist und somit auch das NVH-Verhalten spürbar verbessert ist.
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Insgesamt kann durch die erläuterte Lösung der gestellten Aufgabe eine betriebssichere Festlegung und Drehmomentabstützung des Stators ohne die eingangs erläuterten nachteiligen Effekte erfolgen. Die Lösung ermöglicht zudem größere Toleranzbreiten zum Fügen der Verbindungspartner.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Statorträger zwei axial voneinander beabstandete äußere Fügeflächen aufweisen, welche gegenüber einem sich axial zwischen diesen beiden Fügeflächen befindlichen Umfangsbereich des Statorträgers mit einem größeren Außendurchmesser ausgebildet sind und wobei zumindest eine dieser Fügeflächen des Statorträgers in Umfangsrichtung unterbrochen ist. Es können also auch beide Fügeflächen unterbrochen ausgebildet sein. Ein axiale Aufspaltung bzw. die Ausbildung axial getrennter Fügeflächen trägt zu einer weiteren Reduzierung von Spannungen bei. Die beiden axial beabstandeten Fügeflächen können jeweils an unterschiedlichen axialen Endbereichen des Statorträgers vorgesehen sein und damit im Wesentlichen weitestmöglich auseinanderliegen.
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Mit weiterem Vorteil kann bei der Statoranordnung axial an dem zwischen den Fügeflächen von Statorträger und Gehäuse vorliegenden Umfangsbereich ein Fluid-Kühlmantel ausgebildet sein. Weiter sind zur Erzeugung einer fluiddichten Verbindung der Teile zwischen dem Statorträger und dem Gehäuse in Umfangsrichtung geschlossene Dichtungsanordnungen ausgebildet, welche jeweils zu einer der Fügeflächen des Statorträgers benachbart sind. Durch die unterbrochene Ausbildung von zumindest einer oder von beiden Fügeflächen werden an der Dichtungsanordnung eingesetzte Dichtelemente wie zum Beispiel O-Ringe in Umfangsrichtung etwa gleichmäßig belastet und verformt.
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Sofern in dem gegenseitigen Fügebereich in Umfangsrichtung mehrere spannungskritische Positionen bzw. Richtungen auftreten, kann es von Vorteil sein, eine der miteinander zusammenwirkenden Fügeflächen von Statorträger und Gehäuse in Umfangsrichtung entsprechend dieser Positionen bzw. Richtungen mehrfach unterbrochen auszubilden, wodurch zumindest zwei Fügeflächensegmente auftreten. Solche Fügeflächensegmente können zum Beispiel als lokale Durchmessersprünge im Gussrohteil des Statorträgers realisiert werden.
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Zum Zweck einer räumlichen Homogenisierung von auftretenden mechanischen Spannungen kann es dienlich sein, die Fügeflächensegmente von zwei axial voneinander beabstandeten Fügeflächen des Statorträgers in Umfangsrichtung versetzt zueinander anzuordnen und/oder diese mit einer unterschiedliche Umfangserstreckung auszubilden.
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Bei einer Statoranordnung, insbesondere für einen Fahrzeugantrieb kann mit Vorteil das Gehäuse aus einem Eisen-Gusswerkstoff und der Statorträger aus einem Aluminium-Gusswerkstoff hergestellt sein.
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Ebenso kann bei der hier vorgeschlagenen Statoranordnung die Verbindung der inneren Fügefläche des Statorträgers zu dem Blechpaket mit einer Übermaßpassung ausgeführt sein. Somit ist der Statorträger sowohl mit dessen radial innerer Fügefläche als auch mit dessen radial äußerer Fügefläche durch eine Übermaßpassung mit den radial angrenzenden Elementen verbunden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, welche eine zuvor beschriebene Statoranordnung und einen dazu drehbar gelagerten Rotor umfasst.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einer Statoranordung;
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Statorträgers der Statoranordnung von 1;
- 3 eine seitliche Ansicht des Statorträgers von 2.
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1 zeigt eine elektrische Maschine 10 zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem an einem Maschinengehäuse 12 festgelegten Stator 14 und mit einem dazu radial innen angeordneten und um eine Achse A drehbar gelagerten Rotor 16. Die Maschine 10 kann als ein Antriebsaggregat in einem Hybridfahrzeug zum Zusammenwirken mit einem Verbrennungsmotor ausgebildet sein oder alternativ allein oder mit weiteren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregat bei einem Elektrofahrzeug eingesetzt sein. Die weitere Bauart und das Wirkprinzip der elektrischen Maschine 10 sind für die nachstehenden Erläuterungen unerheblich. Die Maschine 10 kann beispielsweise als eine permanenterregte Synchronmaschine oder als eine Asynchronmaschine arbeiten.
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Der Stator 14 umfasst einen in im Wesentlichen zylinderförmigen Statorträger 18 aus einem Aluminium-Gusswerkstoff, an welchem an einem stirnseitigen Endabschnitt 20 zwei kragenförmig und nach radial außen gerichtete Befestigungsbereiche 22, hier in Form von Befestigungslaschen, mit Durchgriffsöffnungen 22a zur Herstellung einer Schraubverb1 indung 24 mit dem Gehäuse 12 ausgebildet sind. Wie in 1 erkennbar, ist an dem Statorträger 18 eine radial innere Fügefläche 60 vorgesehen, an der in einer bekannten Weise mittels einer Übermaßpassung ein Blechpaket 26 mit einer Statorwicklung 28 angeordnet ist. Weiter ist an dem Statorträger 18 eine radial äußere Fügefläche 70 ausgebildet, welche von einer inneren Fügefläche 50 des Gehäuses 12 der elektrischen Maschine 10 aufgenommen ist und mit dieser gleichfalls eine Übermaßpassung ausbildet. Der Stator 14 bildet gemeinsam mit dem Gehäuse 12, welches im hier erläuterten Ausführungsbeispiel aus einem Eisen-Gusswerkstoff hergestellt sein kann, eine Statoranordnung 30 aus.
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Mit weiterem Blick auf 1 ist zur Kühlung der elektrischen Maschine 10 radial zwischen dem Statorträger 18 und dem Gehäuse 12 ein Fluidkühlmantel 32 mit einem Kühlkanal 34 vorgesehen, wodurch insbesondere eine Verlustwärme aus dem Blechpaket 26 abtransportiert werden kann. Zur Ausbildung des Kühlkanals 34 ist die äußere Fügefläche 70 des Statorträgers 18 unterbrochen und somit zweiteilig mit Fügeflächen 710 und 720 ausgebildet. Mit anderen Worten schließen die Fügeflächen 710, 720 den Kühlkanal 34 axial ein und weisen gegenüber diesem zumindest abschnittweise einen größeren Außendurchmesser auf. Innerhalb des Kühlkanals 34 sind in Umfangsrichtung verlaufende Stege bzw. Fluid-Leitrippen 36 vorgesehen, welche eine Strömungsoptimierung eines dort fließenden Kühlmittels bewirken sollen. Axial beidseitig des Kühlkanals 34 sind zur fluiddichten Verbindung von Statorträger 18 und Gehäuse 12 in Umfangsrichtung geschlossene Dichtungsanordnungen 38, 40 ausgebildet. Die Dichtungsanordnungen 38, 40 sind den genannten Fügeflächen 710, 720 jeweils in einer axialen Fügerichtung F des Stators 14 zum Gehäuse 12 vorgelagert und umfassen jeweils eine Ringnut 38a, 40a am Statorträger 18 und eine darin eingelegte Ringdichtung 38b, 40b, welche mit der inneren Fügefläche 50 des Gehäuses 12 zusammenwirkt. Es ist zu beachten, dass die Ausbildung der Fügeflächen 710, 720 und der Dichtungsanordnungen 38, 40 in 1 lediglich schematisch dargestellt ist. Die 2 und 3 zeigen eine genauere Ausbildung dieser Merkmale.
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Der Statorträger 18 ist im Wesentlichen durch die an der Mittelachse A gegenüberliegend ausgebildeten Befestigungsbereiche 22 nicht rotationssymmetrisch gestaltet. Dadurch und auch durch Fertigungs- und Montagetoleranzen können insbesondere im gegenseitigen Verbindungsbereich von Statorträger 18 und Gehäuse 12 örtlich unerwünscht hohe mechanische Spannungen auftreten. Als Abhilfe ist vorgesehen, zumindest eine der miteinander zusammenwirkenden Fügeflächen 710, 720; 50 von Statorträger 18 und Gehäuse 12 in Umfangsrichtung unterbrochen auszubilden. Durch die sich dadurch ergebende in Umfangsrichtung unterbrochene Übermaßpassung der Verbindungspartner wird eine übermäßige Verspannung und eine gegebenenfalls daraus resultierende Verformung an kritischen Positionen vermieden.
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Wie in 2 zu sehen, sind beide axial voneinander beabstandeten Fügeflächen 710, 720 in Umfangsrichtung mehrfach unterbrochen und jeweils mit mehreren Fügeflächensegmenten 710A; 720A und zwischen diesen befindlichen Ausnehmungen 710B; 720B ausgebildet. Die Ausnehmungen 710B, 720B sind hier durch lokale Durchmessersprünge im Gussrohteil des Statorträgers 18 realisiert. Zum Zweck einer räumlichen Homogenisierung von auftretenden mechanischen Spannungen sind die Fügeflächensegmente 710A, 720B der beiden Fügeflächen 710, 720 in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet und ebenso mit einer unterschiedlichen Umfangserstreckung ausgebildet.
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Die zwischen der inneren Fügefläche 60 des Statorträgers 18 und dem Blechpaket 26 vorliegende Übermaßpassung ist im Hinblick auf mechanische Spannungen aufgrund der entfernten räumlichen Lage zu den beiden Befestigungsbereichen 22 vergleichsweise unkritisch. Die innere Fügefläche 60 ist daher umfangsmäßig geschlossen ausgebildet, wobei zur Aufnahme von gegebenenfalls auftretenden mechanischen Spannungen eine damit zusammenwirkende äußere Fügefläche 80 des Blechpakets 26 optional entsprechende Aussparungen aufweisen kann. Somit ist der Statorträger 18 sowohl mit dessen radial innerer Fügefläche 60 als auch mit dessen radial äußerer Fügefläche 70 durch eine Übermaßpassung mit den radial angrenzenden Elementen 12, 26 drehfest verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Stator
- 16
- Rotor
- 18
- Statorträger
- 20
- Endabschnitt
- 22
- Befestigungsbereich
- 22a
- Durchgriffsöffnung
- 24
- Schraubverbindung
- 26
- Blechpaket
- 28
- Statorwicklung
- 30
- Statoranordnung
- 32
- Fluidkühlmantel
- 34
- Kühlkanal
- 36
- Fluid-Leitrippe
- 38
- Dichtungsanordnung
- 38a
- Ringnut
- 38b
- Ringdichtung
- 40
- Dichtungsanordnung
- 40a
- Ringnut
- 40b
- Ringdichtung
- 50
- innere Fügefläche
- 60
- innere Fügefläche
- 70
- äußere Fügefläche
- 710
- Fügefläche
- 710A
- Fügeflächensegment
- 710B
- Ausnehmung
- 720
- Fügefläche
- 720A
- Fügeflächensegment
- 720B
- Ausnehmung
- 80
- äußere Fügefläche
- A
- Achse
- F
- Fügerichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015221777 A1 [0002, 0003]
