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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Maschine. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine aufweisend einen derartigen Stator. Der Stator weist eine Wickelkopfkühlung auf.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass elektrische Maschinen im Betrieb Abwärme produzieren, wobei insbesondere Abwärme in einem Wickelkopf einer Wicklung des Stators entstehen kann. Der Wickelkopf bietet die Möglichkeit die Entwärmung des Stators zu verbessern, weswegen im Stand der Technik verschiedene Methoden zur Entwärmung vorgeschlagen werden. Beispielsweise offenbart die
EP 3 297 139 A1 die thermische Anbindung des Wickelkopfs an ein Motorgehäuse durch Vakuumverguss oder mittels wärmeleitfähiger Bänder. Aus der
DE 10 2015 207 767 A1 ist bekannt, dass Kühlrohre an den Wickelköpfen angeordnet werden, wobei die Leiter der Wicklung, die den Kühlkopf bilden, teilweise um das Kühlrohr verlaufen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Stator weist einen optimalen thermischen Kontakt zwischen dem Wickelkopf und einem Kühlrohr auf, so dass eine effektive Kühlung erfolgen kann. Insbesondere wird dies dadurch erreicht, dass entsprechende Teilbereiche der Wicklung zumindest einmal vollständig um das Kühlrohr herum verlaufen. Damit ist insbesondere an der Stelle, an der sich die Wicklung befindet, der gesamte Umfang des Kühlrohrs bedeckt, nicht jedoch lediglich nur ein Teil des Umfangs.
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Der Stator einer elektrischen Maschine weist einen Statorkörper mit Statornuten auf. Außerdem weist der Stator eine durch die Statornuten verlaufende elektrische Wicklung auf, die an den beiden Stirnseiten des Statorkörpers jeweils einen Wickelkopf ausbildet. An zumindest einem der beiden Wickelköpfe befindet sich zumindest ein Kühlrohr zur Kühlung der elektrischen Wicklung. Das Kühlrohr kann insbesondere fluiddurchströmt sein, um somit den Wickelkopf zu entwärmen. Alternativ kann das Kühlrohr auch ein massiver Körper sein, der zum Entwärmen des Wickelkopfs vorgesehen ist.
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Der Statorkörper weist eine Statorachse auf. Die Statorachse entspricht insbesondere einer Mittelachse der elektrischen Maschine, in der der Stator angebracht ist. Das Kühlrohr erstreckt sich vorteilhafterweise um die Statorachse herum.
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Die elektrische Wicklung weist mehrere Phasenstränge auf. Außerdem ist vorgesehen, dass die elektrische Wicklung aus biegeschlaffen elektrischen Leitern gebildet ist. Bei den biegeschlaffenen elektrischen Leitern handelt es sich insbesondere um solche, die aus Graphen oder aus Kohlenstoffnanoröhrchen gefertigt sind. Jeder Phasenstrang der Wicklung umfasst einen oder insbesondere mehrere elektrische Leiter.
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Die elektrische Wicklung ist derart ausgebildet, dass diese nach Austreten aus einer der Statornuten zumindest einmal vollständig unter Bildung einer Kühlwindung um den Umfang des jeweiligen Kühlrohrs herum verläuft. In einer bevorzugten Ausgestaltung bedeutet dies, dass zumindest einer der elektrischen Leiter der elektrischen Wicklung oder zumindest einer der Phasenstränge der elektrischen Wicklung nach dem Austreten aus einer der Statornuten zumindest einmal vollständig um das jeweilige Kühlrohr herum verläuft. Jeder Leiter oder jeder Phasenstrang bildet somit eine Kühlwindung am Kühlrohr aus. Durch die Kühlwindung, d. h. durch das vollständige Umschließen des Umfangs des Kühlrohrs ist ein optimaler thermischer Kontakt vorhanden. Somit kann der Wickelkopf optimal gekühlt werden.
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Durch die Ausbildung der elektrischen Wicklung als biegeschlaffe Leiter lässt sich textiles Verhalten der Phasenstränge oder der einzelnen Leiter erreichen. Somit kann ein vollständiges Umschließen des Kühlrohrs einfach und aufwandsarm realisiert werden. Der Stator lässt sich somit bei einfacher und kostengünstiger Herstellung und Montage zuverlässig entwärmen.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kühlwindung der elektrischen Wicklung mindestens über 360° bezüglich einer Achse des Kühlrohrs verläuft. Dies führt vorteilhafterweise zu einer vollständigen Umschließung des Kühlrohrs, wodurch besagte optimale Kühlung erfolgen kann. Besonders vorteilhaft ist ein Verlauf der Kühlwindung über 540°, sodass sich die jeweiligen Enden der Kühlwindung in dieselbe Richtung erstrecken. Die Kühlwindung kann bevorzugt auch mehrfach um das Kühlrohr verlaufen, wobei besonders vorteilhaft vorgesehen ist, dass die Kühlwindung um 540° plus ein ganzes Vielfaches von 360° um das Kühlrohr verläuft.
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Die elektrische Wicklung verläuft besonders vorteilhaft unter Ausbildung einer Zugspannung um den Umfang des jeweiligen Kühlrohrs herum. Besonders bevorzugt verläuft somit der zumindest eine Phasenstrang der elektrischen Wicklung oder der zumindest eine elektrische Leiter der elektrischen Wicklung unter Ausbildung besagter Zugspannung um den Umfang des Kühlrohrs herum. Durch die Zugspannung ist sichergestellt, dass die Wicklung eng an dem Kühlrohr anliegt. Das bedeutet, die Phasenstränge und/oder elektrischen Leiter liegen eng an dem Kühlrohr an und haben somit einen optimalen thermischen Kontakt zu dem Kühlrohr, um eine optimale Kühlung zu erreichen. Somit sind bevorzugt keine weiteren Maßnahmen notwendig, um einen Wärmeübergang zwischen der Wicklung und dem Kühlrohr zu erreichen. Vielmehr ist durch die Zugspannung und daraus resultierend das enge Anliegen der Wicklung am Kühlrohr ein für eine optimale Kühlung ausreichender Wärmekontakt vorhanden. Somit ist wiederum erreicht, dass der Stator einfach und aufwandsarm hergestellt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Wickelkopf an dem jeweiligen Kühlrohr stoffschlüssig befestigt ist. Besonders bevorzugt ist hierzu ein Harz vorgesehen, mit dem der Wickelkopf an das Kühlrohr angeklebt ist. Durch die Verwendung der stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere durch die Verwendung des Harzes, lässt sich ein Wärmekontakt zwischen dem Kühlrohr und dem Wickelkopf optimieren, sodass eine optimale Entwärmung der elektrischen Wicklung erfolgen kann.
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Das Kühlrohr verläuft bevorzugt in Umfangsrichtung bezüglich der Statorachse gesehen wellenförmig. Die Wellenform ermöglicht ein Maximieren der Oberfläche des Kühlrohrs, sodass ein maximaler Wärmeaustausch zwischen Kühlrohr und Wickelkopf stattfinden kann. Dies führt wiederum zu einer optimierten Entwärmung der elektrischen Wicklung.
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An dem jeweiligen Wickelkopf sind vorteilhafterweise mehrere Kühlrohre vorgesehen. Die elektrische Wicklung verläuft nach Austreten aus einer der Statornuten bevorzugt zumindest einmal vollständig um den Umfang zumindest eines der mehreren Kühlrohre herum. Besonders bevorzugt verläuft die Wicklung um jedes der Kühlrohre herum. Dies bedeutet wiederum, dass insbesondere zumindest einer der Phasenstränge der elektrischen Wicklung oder zumindest einer der elektrischer Leiter der elektrischen Wicklung nach dem Austreten aus einer der Statornuten zumindest einmal vollständig um zumindest eines der Kühlrohre herum verläuft. Besonders bevorzugt verlaufen der zumindest eine Phasenstrang oder der zumindest eine Leiter zumindest einmal vollständig um den Umfang aller Kühlrohre, die an dem jeweiligen Wickelkopf angebracht sind, herum. Durch die Verwendung mehrerer Kühlrohre lässt sich zum einen eine Kühlleistung erhöhen, zum anderen kann eine einfachere Herstellung des Stators erfolgen, indem verschiedene Phasenstränge oder elektrische Leiter um verschiedene Kühlrohre herum verlaufen.
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Die elektrische Wicklung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass nach dem Austreten aus einer der Statornuten ein Verlaufen zumindest einmal vollständig um den Umfang des jeweiligen Kühlrohrs herum erfolgt, um die Kühlwindung zu bilden. Anschließend erfolgt ein Eintreten in eine andere der Statornuten. Dies bedeutet insbesondere, dass zumindest einer der Phasenstränge der elektrischen Wicklung aus einer der Statornuten austritt unter Bildung der Kühlwindung zumindest einmal vollständig um das Kühlrohr herum verläuft und anschließend in eine andere der Statornuten eintritt. Somit ist gleichzeitig mit dem Ausbilden des Wickelkopfs auch die Kühlung des Wickelkopfs ausgebildet, die dadurch erreicht ist, dass der jeweilige Phasenstrang um das Kühlrohr herum verläuft. Dies vereinfacht wiederum den Aufbau des Stators und die Integration der Kühlung in den Wickelkopf.
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Das Kühlrohr weist bevorzugt einen Zuflussbereich auf, der zum Zuführen von Kühlfluid in das Kühlrohr vorgesehen ist. Außerdem weist das Kühlrohr bevorzugt einen Abflussbereich auf, der insbesondere zum Abführen von Kühlfluid aus dem Kühlrohr vorgesehen ist. Zwischen dem Zuflussbereich und dem Abflussbereich ist insbesondere ein Kühlbereich vorgesehen, wobei der Kühlbereich ringförmig um die Statorachse ausgebildet ist. Innerhalb des Wickelkopfs ist zumindest der Kühlbereich angeordnet. Der Kühlbereich ist besonders bevorzugt vollständig von den elektrischen Leitern des Wickelkopfs bedeckt. Der Zuflussbereich und der Abflussbereich können in einer Ausgestaltung radial zu der Ringform des Kühlbereichs verlaufen, um das Kühlfluid zuzuführen bzw. abzuführen. Insbesondere durch das vollständige Bedecken des Kühlbereichs durch die elektrischen Leiter des Wickelkopfs ist somit eine optimale Kühlung erreicht.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist einen Stator, wie zuvor beschrieben, auf. Das bedeutet, der Stator der elektrischen Maschine weist die zuvor beschriebene Wickelkopfkühlung auf. Außerdem umfasst die elektrische Maschine einen Rotor, der von dem Stator antreibbar ist. Die elektrische Maschine weist somit eine optimierte Kühlung auf und kann damit hohe mechanische Leistungen abgeben, ohne dass eine Überhitzung der elektrischen Maschine droht.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht eines Wickelkopfs eines Stators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Ansicht eines Wickelkopfs eines Stators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4a eine schematische Darstellung einer Wickelkopfkühlung gemäß einer ersten Alternative zur Verwendung mit dem Stator gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel oder zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 4b eine schematische Darstellung einer Wickelkopfkühlung gemäß einer zweiten Alternative zur Verwendung mit dem Stator gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung oder zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 auf, der sich um eine Statorachse 100 erstreckt. Die Statorachse 100 ist gleichzeitig Mittelachse der elektrischen Maschine 1 und entspricht außerdem einer Rotationsachse eines Rotors 3 der elektrischen Maschine 1. Der Rotor 3 ist von dem Stator 2 antreibbar.
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Der Stator 2 weist eine elektrische Wicklung 4 (vgl. 2) auf, wobei die elektrische Wicklung 4 stirnseitig am Stator 2 Wickelköpfe 6 ausbildet. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist an jeder Stirnseite 5 ein Wickelkopf 6 ausgebildet, wobei ebenso auch die Ausbildung eines Wickelkopfs 6 an lediglich einer Stirnseite 5 möglich ist. In den Wickelköpfen 6 verlaufen Kühlrohre 7, die zur Kühlung des Wickelkopfs 6 und damit der elektrischen Wicklung 4 des Stators 2 dienen.
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2 zeigt schematisch eine Detailansicht des Wickelkopfs 6 eines Stators 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Stator 2 kann insbesondere als Stator der elektrischen Maschine 1, wie in 1 gezeigt und wie zuvor beschrieben, verwendet werden. Der Stator 2 weist einen Statorkörper 13 auf, in dem mehrere Statornuten 9 ausgebildet sind. In den Statornuten 9 verlaufen Phasenstränge 8 der elektrischen Wicklung 4, wobei in den Figuren zur vereinfachten Darstellung lediglich einzelne Phasenstränge 8 dargestellt sind. Bei den Phasensträngen 8 handelt es sich insbesondere um einen oder bevorzugt um mehrere elektrische Leiter der elektrischen Wicklung 4.
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Die elektrischen Leiter der elektrischen Wicklung 4 sind als biegeschlaffe elektrische Leiter ausgebildet, die bevorzugt textiles Verhalten aufweisen. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass die elektrischen Leiter aus Graphen oder Kohlenstoffnanoröhrchen gefertigt werden. Somit lassen sich die Phasenstränge 8 einfach und zuverlässig formen.
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Außerhalb des Rotorkörpers 3 verläuft ein Kühlrohr 7, wobei das Kühlrohr 7 um die Statorachse 100 herum verläuft. Nach dem Austreten der Phasenstränge 8 aus den Statornuten 9 verlaufen besagte Phasenstränge 8 unter Ausbildung einer Kühlwindung einmal vollständig um das Kühlrohr 7 herum. Somit ist an derjenigen Stelle, an der ein Phasenstrang 8 um das Kühlrohr 7 verläuft, der gesamt Umfang des Kühlrohrs 7 vom Phasenstrang 8 bedeckt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Phasenstrang 8 um zumindest 360° um das Kühlrohr 7 herum verläuft. Im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft jeder Phasenstrang 8 um einen Winkel von 540° um den Umfang des Kühlrohrs 7. Somit kann der gesamte Umfang des Kühlrohrs 7 zur Kühlung der elektrischen Wicklung 4 verwendet werden. Dadurch ist eine effiziente und optimierte Kühlung ermöglicht.
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Ein thermischer Kontakt zwischen Kühlrohr 7 und der elektrischen Wicklung 4, insbesondere deren Phasensträngen 8, ist dadurch erreicht, dass die Phasenstränge 8 eine Zugspannung ausbilden, wenn diese um das Kühlrohr 7 herum verlaufen. Durch die Zugspannung liegen die Phasenstränge 8 eng an dem Kühlrohr 7 an, so dass ein optimaler Wärmekontakt vorhanden ist. Die Zugspannung lässt sich einfach und aufwandarm dadurch ausbilden, dass die Phasenstränge 8 aufgrund der Ausgestaltung der elektrischen Leiter der elektrischen Wicklung 4 als biegeschlaffe Elemente textiles Verhalten aufweisen. Damit ist die Herstellung und Montage des Stators 2 einfach und aufwandsarm ermöglicht, wobei zusätzlich eine optimierte Kühlung vorhanden ist. Zur weiteren Verbesserung eines Wärmeübergangs zwischen Kühlrohr 7 und elektrischer Wicklung 4 kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Kühlrohr 7 und den Phasensträngen 8 erfolgen, beispielsweise können die Phasenstränge 8 über ein Harz an das Kühlrohr 7 geklebt werden.
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3 zeigt einen Wickelkopf 6 eines Stators 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum lässt sich der Stator 2 insbesondere als Stator der elektrischen Maschine 1, wie in 1 gezeigt und wie oben beschrieben, verwenden. Im Unterschied zum zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist im zweiten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Kühlrohren 7 vorgesehen. Jeder Phasenstrang 8 verläuft entweder zumindest einmal um zumindest ein Kühlrohr 7 oder zumindest einmal um jedes Kühlrohr 7. In der Darstellung in 3 ist zur besseren Übersicht kein enges Anliegen des Phasenstrangs 8 an den Kühlrohren 7 gezeigt. Allerdings ist vorgesehen, wie zuvor mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, dass die jeweilige Kühlwindung an den jeweiligen Kühlrohren 7 unter Ausbildung einer Zugspannung hergestellt werden, so dass die elektrische Wicklung 4 eng an den Kühlrohren 7 anliegt und somit ein optimaler Wärmekontakt vorhanden ist. Mit Ausnahme der mehreren Kühlrohre 7 und der somit entstehenden Möglichkeit jedes Phasenstrangs 8 mit einem oder mit mehreren dieser Kühlrohre 7 in Wärmekontakt zu stehen, ist die Ausgestaltung des zweiten Ausführungsbeispiels identisch zum ersten Ausführungsbeispiel.
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Die 4a und 4b zeigen jeweils Ansichten auf eine Stirnseite 5 des Statorkörpers 13 des Stators 2 und die zugehörige Seite des Rotors 3. Dabei sind in den 4a und 4b verschiedene Möglichkeiten der Ausgestaltung des Kühlrohrs 7 dargestellt. Der Einfachheit halber ist jeweils ein einziges Kühlrohr 7 dargestellt, wobei analog zum zuvor beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel des Stators 2 auch mehrere Kühlrohre 7 pro Wickelkopf 6 vorhanden sein können.
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Unabhängig von der Ausgestaltung des Kühlrohrs 7 weist das Kühlrohr 7 stets einen Zuflussbereich 11, einen Abflussbereich 12 und einen Kühlbereich 10 auf. Der Zuflussbereich 11 dient zum Zuführen von Kühlfluid in das Kühlrohr 7, der Abflussbereich 12 zum Abführen von Kühlfluid aus dem Kühlrohr 7. Der zwischen Zuflussbereich 11 und Abflussbereich 12 liegende Kühlbereich 10 dient zum Kühlen der elektrischen Wicklung 4. Dabei ist vorgesehen, dass der Wickelkopf 6 den Kühlbereich 10 vorteilhafterweise vollständig bedeckt. Somit ist eine maximale Kühlleistung des Kühlrohrs 7 gegeben.
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Zumindest der Kühlbereich 10 erstreckt sich ringförmig um die Statorachse 100. Dabei kann der Kühlbereich 10 bezüglich der Statorachse 100 gesehen wellenförmig verlaufen, oder bezüglich der Statorachse 100 stets einen konstanten Abstand aufweisen. Ist die wellenförmige Form vorhanden, so ist die Oberfläche des Kühlrohrs 7 vergrößert, wodurch eine stärkere Kühlleistung vorhanden ist.
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In jedem Fall lässt sich der Wickelkopf 6 optimal kühlen. Somit ist eine Kühlung des Stators 2 optimiert. Die elektrische Maschine 1 kann damit bei erhöhten mechanischen Ausgangsleistungen nicht überhitzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3297139 A1 [0002]
- DE 102015207767 A1 [0002]
