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Die Erfindung betrifft ein Polelement zum Bereitstellen eines elektrischen Pols einer Axialflussmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein solches Polelement zum Bereitstellen eines elektrischen Pols einer Axialflussmaschine ist beispielsweise bereits der
EP 3 245 718 B1 als bekannt zu entnehmen. Das Polelement weist zwei einander gegenüberliegende Polschuhe auf, zwischen welchen eine durch das Polelement zu tragende Wicklung anordenbar ist. Durch Bestromen der Wicklung, das heißt durch Versorgen der Wicklung mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischen Strom, derart, dass der elektrische Strom durch die Wicklung hindurchströmt, kann der elektrische Pol als Minus-Pol oder Plus-Pol bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann insbesondere ein magnetisches Feld bereitgestellt werden. Dabei sorgen die Polschuhe insbesondere dafür, dass magnetische Feldlinien des magnetischen Felds in einer definierten Form aus dem Polelement heraustreten, mithin bereitgestellt werden.
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Des Weiteren offenbart die
EP 2 606 561 B1 eine als Axialflussmaschine ausgebildete, elektrische Maschine, die einen Rotor mit Dauermagneten und einen Stator mit Wicklungen aufweist. Der
DE 10 2011 108 042 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine als bekannt zu entnehmen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Polelement der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Polelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Abständen angegeben.
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Um ein Polelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu verbessern, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Polelement einen Grundkörper aufweist, welcher mehrere, aufeinander angeordnete und aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Blech beziehungsweise Elektroblech, gebildete Schichten aufweist. Insbesondere sind die Schichten in radialer Richtung der Axialflussmaschine nach außen hin aufeinander angeordnet. Beispielsweise sind die Schichten durch jeweilige, eigensteife beziehungsweise formlabile Lamellen gebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass die jeweilige Lamelle ein jeweiliger, eigensteifer Festkörper ist, welcher vorzugsweise aus dem zuvor genannten, metallischen Werkstoff, insbesondere aus dem Elektroblech, gebildet ist.
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Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Grundkörper und somit die aufeinander angeordneten Schichten außenumfangsseitig durch Spritzen, Gießen, Drucken oder Sintern mit einem Material versehen sind, aus welchem die Polschuhe gebildet sind, wobei die Polschuhe einstückig miteinander ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist beispielsweise aus dem Material ein einstückiger Polschuhkörper gebildet, durch welchen die Polschuhe, die vorzugsweise auf insbesondere in axialer Richtung der Axialflussmaschine einander gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers angeordnet sind, gebildet sind. Dabei ist das Material ein von dem metallischen Werkstoff, aus welchem die Schichten gebildet sind, unterschiedlicher Werkstoff. Da der Grundkörper außenumfangsseitig durch Spritzen, Gießen, Drucken, insbesondere 3D-Drucken, oder Sintern mit dem Material und somit mit dem Polschuhkörper versehen ist, ist der Grundkörper sozusagen mit dem Material beziehungsweise mit dem Polschuhkörper umspritzt, umgossen, umdruckt oder umsintert. Hierdurch können die Schichten besonders einfach und kostengünstig miteinander verbunden, das heißt paketiert werden, und die Polschuhe können besonders vorteilhaft und insbesondere besonders kostengünstig hergestellt werden, so dass das Polelement insgesamt besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Für die Integration beziehungsweise Anbindung der Polschuhe in beziehungsweise an eine Basis, wie beispielsweise Stangen, sind herkömmlicherweise Fügeverbindungen erforderlich. Wird als die Basis der beschriebene Grundkörper verwendet, welcher aus den beispielsweise aus Lamellen gebildeten Schichten gebildet wird, so dass beispielsweise der elektrische Pol besonders vorteilhaft bereitgestellt werden kann, so kann es erforderlich sein, die einzelnen Schichten beziehungsweise Lamellen miteinander zu verbinden, das heißt zu paketieren. Üblicherweise ist eine stoff- oder kraftschlüssige Fügeverbindung zwischen der Basis und dem jeweiligen Polschuh vorgesehen. Hieraus können die folgenden Nachteile resultieren:
- - zusätzlicher materieller Aufwand
- - geringe Anbindungskräfte
- - zeitaufwendige Prozesse
- - zusätzlicher Materialauftrag, insbesondere in axialer Richtung.
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Die zuvor genannten Probleme und Nachteil können durch die Erfindung vermieden werden, das heißt insbesondere dadurch, dass der Grundkörper und somit die Schichten beziehungsweise Lamellen mit dem Material umspritzt, umgossen, umdruckt oder umsintert sind. Insbesondere können somit durch die Erfindung die folgenden Vorteile realisiert werden:
- - Entfall von Verbindungsstellen zwischen Grundkörper und Polschuh
- - erhöhte Anbindungskräfte
- - Entfall einer separaten, zusätzlichen Paketierung der Schichten, da die Schichten mittels des Materials und somit gleichzeitig während einer Herstellung der Polschuhe miteinander verbunden, mithin paketiert werden
- - Formfreiheit.
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Unter der zuvor genannten Formfreiheit ist insbesondere zu verstehen, dass auf besonders einfache Weise eine bedarfsgerechte Form des Polschuhkörpers realisiert werden kann, wodurch der elektrische Pol besonders vorteilhaft bereitgestellt werden kann.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Polschuhkörper wenigstens ein Kraft- und/oder Formschlusselement aufweist, mittels welchem das Polelement kraft- und/oder formschlüssig mit einem Gehäuse der Axialflussmaschine, insbesondere mit einem Gehäuse eines Stators der Axialflussmaschine, verbindbar oder verbunden ist. Hierdurch kann das Polelement besonders einfach und stabil mit dem Gehäuse verbunden, das heißt an das Gehäuse angebunden beziehungsweise in das Gehäuse integriert werden. Dieser Ausführungsform liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Für eine Integration beziehungsweise Anbindung der Polschuhe in beziehungsweise an das Gehäuse sind herkömmlicherweise zusätzliche Bauteile erforderlich, insbesondere um ein entstehendes Drehmoment abzustützen. Es ist denkbar, insbesondere für Doppelrotor-Anordnungen, Gehäusehälften aus unterschiedlichen Materialien zu verwenden, welche stoff- oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind und/oder an die die Polschuhe stoff- oder kraftschlüssig angebunden sind. Es ist denkbar, hierbei die Polschuhe mit Polymer zu umspritzen. Daraus können jedoch die folgenden Nachteile resultieren:
- - zusätzlicher Materialaufwand
- - geringe Anbindungskräfte
- - zeitaufwendige Prozesse
- - zusätzlicher Materialauftrag, woraus ein unerwünscht großer Luftspalt der Axialflussmaschine resultieren kann.
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Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können nun durch die Erfindung vermieden werden. Dabei ist es vorgesehen, dass direkt an dem jeweiligen Polschuh das Form- und/oder Kraftschlusselement angebracht wird, derart, dass das Form- und/oder Kraftschlusselement aus dem Material und somit durch den Polschuhkörper gebildet ist. Somit ist der jeweilige Polschuh einstückig mit dem jeweiligen Form- und/oder Kraftschlusselement ausgebildet. Mittels des Form- und/oder Kraftschlusselements kann das Polelement formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Gehäuse verbunden beziehungsweise in das Gehäuse integriert oder an das Gehäuse angebunden werden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn innerhalb des Materials wenigstens ein direkt durch das Material begrenzter Kühlkanal verläuft, welcher vorzugsweise entlang seiner Umfangsrichtung vollständig umlaufend direkt durch das Material begrenzt ist. Der Kühlkanal ist von einem vorzugsweise flüssigen Kühlfluid durchströmbar, wodurch das Polelement besonders vorteilhaft gekühlt werden kann. Mit anderen Worten ist der Kanal eine Kavität, durch welche das auch als Kühlmedium bezeichnete Kühlfluid hindurchströmen kann. Dadurch kann eine effektive und effiziente Kühlung des Polelements realisiert werden. Insbesondere können durch die Erfindung die folgenden Vorteile realisiert werden:
- - Entfall von zusätzlichen zur Integration dienenden Komponenten
- - höhere Anbindungskräfte
- - verringerter Zeitaufwand der Prozesse
- - kleinerer Luftspalt
- - neue beziehungsweise alternative Kühlkonzepte für das Polelement und die Wicklung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer ersten Ausführungsform eines Polelements zum Bereitstellen eines elektrischen Pols einer Axialflussmaschine;
- 2 eine schematische Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform des Polelements;
- 3 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der Axialflussmaschine;
- 4 eine schematische Perspektivansicht einer dritten Ausführungsform des Polelements; und
- 5 eine weitere schematische Perspektivansicht der dritten Ausführungsform des Polelements, welches eine Wicklung der Axialflussmaschine trägt.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Folgenden wird anhand von 1 ein Verfahren zum Herstellen einer ersten Ausführungsform eines Polelements 10 für eine Axialflussmaschine beschrieben. Die Axialflussmaschine ist eine elektrische Maschine, mittels welcher beispielsweise ein insbesondere als Kraftwagen, vorzugsweise als Personenkraftwagen, ausgebildetes Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. In ihrem vollständig hergestellten Zustand weist die Axialflussmaschine wenigstens oder genau einen Stator und wenigstens einen Rotor auf. Insbesondere weist die Axialflussmaschine wenigstens oder genau zwei Rotoren auf. Der Stator und der jeweilige Rotor sind in axialer Richtung der Axialflussmaschine und somit in axialer Richtung des Stators und des Rotors nebeneinander beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordnet, insbesondere derart, dass in axialer Richtung der Axialflussmaschine zwischen dem Stator und dem jeweiligen Rotor ein Luftspalt der Axialflussmaschine angeordnet ist. Weist die Axialflussmaschine die wenigstens oder genau zwei Rotoren auf, so ist es insbesondere vorgesehen, dass der Stator in axialer Richtung der Axialflussmaschine zwischen den Rotoren angeordnet ist, welche somit einen sogenannten Doppelrotor der Axialflussmaschine bilden. Dabei ist in axialer Richtung der Axialflussmaschine zwischen dem Stator und dem jeweiligen Rotor jeweils ein Luftspalt der Axialflussmaschine angeordnet. Dabei ist es insbesondere denkbar, dass das Polelement 10 ein Polelement und somit ein Bestandteil des Stators ist. Mittels des Polelements 10 wird ein elektrischer Pol und somit ein elektrischer Minus-Pol oder einer elektrischer Plus-Pol, insbesondere während eines jeweiligen Betriebs der Axialflussmaschine, bereitgestellt. Hierzu weist das Polelement 10 wenigstens oder vorzugsweise genau zwei einander gegenüberliegende Polschuhe 12 und 14 auf, zwischen welchen - wie aus 5 erkennbar ist - eine Wicklung 16 anordenbar oder angeordnet ist. Die Wicklung 16 ist durch wenigstens einen elektrischen Leiter wie beispielsweise einen Draht gebildet, welcher aus einem elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Werkstoff wie beispielsweise Kupfer gebildet sein kann. Die Wicklung 16 ist oder bildet eine Spule und kann mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom versorgt werden, derart, dass beispielsweise während des zuvor genannten Betriebs der Axialflussmaschine der elektrische Strom durch die Wicklung 16 hindurchfließt. Dadurch wird beispielsweise ein magnetisches Feld erzeugt oder bereitgestellt. Die Polschuh 12 und 14 werden insbesondere dafür genutzt, dass magnetische Feldlinien des magnetischen Felds in einer definierten Form aus den Polschuhen 12 und 14 heraustreten und verteilt werden. Beispielsweise umfasst die Wicklung 16 Bleche, die beispielsweise in axialer Richtung der Axialflussmaschine aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die Bleche können separat voneinander oder aber einstückig miteinander ausgebildet sein. Insbesondere ist es denkbar, dass die Wicklung 16 beziehungsweise der elektrische Leiter, aus welchem die Wicklung 16 gebildet ist, einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Hierdurch kann ein besonders hoher Formfüllungsfaktor gewährleistet werden. Besonders gut aus 1 ist erkennbar, dass die Polschuhe 12 und 14 in axialer Richtung der Axialflussmaschine und somit in axialer Richtung des Stators und des Rotors eine Ausnehmung 18 bilden oder begrenzen, in welche die Wicklung 16 zumindest teilweise aufgenommen ist.
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In 1 sind die Polschuhe 12 und 14 transparent dargestellt. Somit ist aus 1 besonders gut erkennbar, dass das Polelement 10 auch einen Grundkörper 20 aufweist, welcher aus mehreren, in radialer Richtung der Axialflussmaschine aufeinander angeordneten Schichten 22 gebildet ist. Die Schichten 22 sind Lamellen oder werden auch als Lamellen bezeichnet. Die jeweilige Schicht 22 ist aus einem elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Werkstoff gebildet, wobei es insbesondere denkbar ist, dass die jeweilige Schicht 22 (Lamelle) aus Blech, insbesondere aus Elektroblech, gebildet ist. Der Grundkörper 20 und somit die Schichten 22 sind außenumfangsseitig durch Spritzen, Gießen, Drucken, insbesondere 3D-Drucken, oder Sintern mit einem Material 24 versehen, aus welchem ein einstückig ausgebildeter Polschuhkörper 26 gebildet ist. Durch den Polschuhkörper 26 sind die Polschuhe 12 und 14 gebildet, so dass die Polschuhe 12 und 14 einstückig miteinander ausgebildet sind und so dass die Polschuhe 12 und 14 aus dem Material 24 gebildet sind.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des Polelements 10. Bei der ersten Ausführungsform sind der Grundkörper 20 und somit die Schichten 22 außenumfangsseitig vollständig, mithin allumfangsseitig von dem Material 24 umgeben. Bei dem Verfahren werden beispielsweise die einzelnen, noch nicht paketierten, das heißt noch nicht miteinander verbundenen Lamellen (Schichten 22) in ein beispielsweise als Sinterwerkzeug oder Druckwerkzeug ausgebildetes Werkzeug eingelegt. Daraufhin werden die in das Werkzeug eingelegten Lamellen in dem Werkzeug umsintert und somit außenumfangsseitig mit dem Material 24 versehen, aus welchem die Polschuhe 12 und 14 hergestellt werden. Hierdurch werden die Schichten 22 paketiert, das heißt miteinander verbunden. Das außenumfangsseitige Versehen des Grundkörpers 20 mit dem Material 24 durch Sintern wird auch als Umsintern bezeichnet, so dass der Grundkörper 20 beispielsweise mit dem Material 24 umsintert wird. Alternativ ist es denkbar, dass der Grundkörper 20 mit dem Material 24 umdruckt wird.
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Vorzugsweise weist das Material 24 einen Kunststoff und in den Kunststoff eingebettete Partikel auf, welche aus einem von dem Kunststoff unterschiedlichen, elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen Werkstoff, gebildet sind. Insbesondere kann es sich bei dem Material 24 beziehungsweise bei dem Kunststoff um einen faserverstärkten Kunststoff handeln. Das Material 24 ist beispielsweise SMC (Sheet Molding Compound). Bei den Partikeln handelt es sich beispielsweise um Eisenpulver, insbesondere mit einer speziellen Beschichtung.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Polelements 10. Bei der zweiten Ausführungsform ist je Polschuh 12 beziehungsweise 14 wenigstens oder genau ein Form- und/oder Kraftschlusselement 28 beziehungsweise 30 vorgesehen, wobei die einfach auch als Elemente bezeichneten Form- und/oder Kraftschlusselemente 28 und 30 durch den Polschuhkörper 26 gebildet und somit aus dem Material 24 gebildet sind. Somit sind die Elemente einstückig mit den Polschuhen 12 und 14 ausgebildet. Mittels der Form- und/oder Kraftschlusselemente 28 und 30 ist das Polelement 10 form- und/oder kraftschlüssig mit einem Gehäuse 32 (3) der Axialflussmaschine, insbesondere des Stators der Axialflussmaschine, verbindbar oder verbunden. Hierzu weist das Gehäuse 32 eine mit den Form- und/oder Kraftschlusselementen 28 und 30 korrespondierende Aufnahme 34 auf, in welcher die Form- und/oder Kraftschlusselemente 28 und 30 aufnehmbar oder aufgenommen sind. In vollständig hergestelltem Zustand der Axialflussmaschine wirkt somit das Polelement 10 über seine Form- und/oder Kraftschlusselemente 28 und 30 form- und/oder kraftschlüssig mit dem Gehäuse 32 zusammen, wodurch das Polelement 10 vorteilhaft an das Gehäuse 32 angebunden beziehungsweise in das Gehäuse 32 integriert ist.
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Schließlich zeigen die 4 und 5 eine dritte Ausführungsform des Polelements 10. Bei der dritten Ausführungsform verläuft innerhalb des Materials 24 wenigstens ein Kühlkanal 36, welcher - wie besonders gut aus 4 erkennbar ist - mehrere, schräg oder senkrecht zueinander verlaufende und fluidisch miteinander verbundene Kanalsegmente 38 aufweisen kann. Der Kühlkanal 36 und somit die Kanalsegmente 38 sind von einem Kühlmedium durchströmbar. Bei dem Kühlmedium handelt es sich vorzugsweise um Kühlfluid, insbesondere um eine Kühlflüssigkeit. Der Kühlkanal 36 beziehungsweise das jeweilige Kanalsegment 38 ist entlang seiner jeweiligen Umfangsrichtung vollständig umlaufend durch das Material 24 direkt begrenzt, so dass das Kühlmedium auf seinem Weg durch den Kühlkanal 36 das Material 24 direkt berührt. Dadurch können das Polelement 10 und die durch das Polelement 10 getragene Wicklung 16 effektiv und effizient gekühlt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Polelement
- 12
- Polschuh
- 14
- Polschuh
- 16
- Wicklung
- 18
- Ausnehmung
- 20
- Grundkörper
- 22
- Schicht
- 24
- Material
- 26
- Polschuhkörper
- 28
- Form- und/oder Kraftschlusselement
- 30
- Form- und/oder Kraftschlusselement
- 32
- Gehäuse
- 34
- Aufnahme
- 36
- Kühlkanal
- 38
- Kanalsegment
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3245718 B1 [0002]
- EP 2606561 B1 [0003]
- DE 102011108042 A1 [0003]
