DE102021005537A1

DE102021005537A1 - Stator für eine elektrische Maschine und Verfahren zu dessen Montage

Info

Publication number: DE102021005537A1
Application number: DE102021005537.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Albrecht; Stephan Doenges; Cornelius Hentrich; Robert Lehmann; Felix Zehren; Tim Ziegler
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-11-09
Filing date: 2021-11-09
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend ein Statorgehäuse (9) und ein darin angeordnetes Statorblechpaket (1) sowie eine im Statorblechpaket (1) eingebrachte Wicklung (8), die einen Wickelkopf (15) ausbildet, wobei ein Deckel (14) vorgesehen ist, der den Wickelkopf (15) unter Ausbildung eines Hohlraums für ein Kühlmedium umschließt, wobei ein Bauteil (2) vorgesehen ist, das einen zylindrischen Ring (3) und einen Flansch (4) aufweist, der an einem Ende an dem zylindrischen Ring (3) angeordnet ist und radial nach außen von diesem ab ragt, wobei ein äußerer Rand (5) des Flansches (4) eine Radialdichtung gegen das Statorgehäuse (9) und/oder den Deckel (14) aufweist, wobei der Flansch (4) eine Vielzahl von Wicklungsdurchbrüchen (7) aufweist, die als Langlöcher ausgebildet sind, deren Längsausdehnung in Radialrichtung hinsichtlich einer Achse (A) des Bauteils (2) weist, wobei der Flansch (4) auf einer Stirnseite des Statorblechpakets (1) dichtend befestigt und die Wicklung (8) anschließend durch die Wicklungsdurchbrüche (7) eingebracht ist, wobei zwischen dem Deckel (14) und dem zylindrischen Ring (3) eine weitere Radialdichtung vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage des Stators.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Montage des Stators gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Elektrische Maschinen mit hoher Leistungsdichte, beispielsweise Antriebsmaschinen für Fahrzeuge, erfordern eine Kühlung der Statorwicklung. Insbesondere für die Wickelköpfe der Statoren, die nicht mit einer Wassermantel-Kühlung des Statorpaketes o.ä. gekühlt werden können, sind besondere technische Lösungen erforderlich. Bei getriebeinternen elektrischen Maschinen (GEM) und elektrischen Antriebsmaschinen (Traktions-EM (TEM)), die mit Öl gekühlt werden, nutzt man beispielsweise radial aus der Rotorwelle ausgeschleudertes Öl zum Benetzen und damit Kühlen der Wickelköpfe. Die abgeführte Wärmemenge ist dabei drehzahlabhängig und kann nicht gezielt gesteuert werden. Hält das Fahrzeug nach schneller Fahrt, kann es zu Wärmestau/Überhitzen kommen.
Es sind Konzepte mit einem durchgehenden, dünnwandigen GFK-Rohr zwischen Stator und Rotor bekannt. Dies ermöglicht zwar eine hermetische Abtrennung und eine leckagefreie Kühlung der Wickelköpfe, die Komponente ist jedoch sehr kostspielig, die Montage aufwändig und der Wirkungsgrad des Motors ist geringer, da der Luftspalt deutlich vergrößert werden muss.
Ferner sind Konzepte mit nachträglich um den Wickelkopf montierten Bauteilen zum Kapseln bekannt. Diese haben jedoch den Nachteil, dass eine Abdichtung zu den Wicklungsnuten im Statorpaket hin sehr aufwändig ist und zu Leckagen führt, so dass diese Konzepte nicht funktionssicher sind.
DE 10 2018 000 875 A1 beschreibt ein Aktivteil für eine elektrische Maschine, mit wenigstens einer Wicklung, welche zumindest einen Wickelkopf bildet, und mit wenigstens einem Kühlkanal, welcher von einem Kühlmittel zum Kühlen zumindest des Wickelkopfes durchströmbar ist, wobei sich der Kühlkanal in Umfangsrichtung des Aktivteils um den Wickelkopf herum windet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Stator für eine elektrische Maschine und ein neuartiges Verfahren zu dessen Montage anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zu dessen Montage gemäß Anspruch 6.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Stator für eine elektrische Maschine umfasst ein Statorgehäuse und ein darin angeordnetes Statorblechpaket sowie eine im Statorblechpaket eingebrachte Wicklung, die einen Wickelkopf ausbildet, wobei ein Deckel vorgesehen ist, der den Wickelkopf unter Ausbildung eines Hohlraums für ein Kühlmedium umschließt. Erfindungsgemäß ist ein Bauteil vorgesehen, das einen zylindrischen Ring und einen Flansch aufweist, der an einem Ende an dem zylindrischen Ring angeordnet ist und radial nach außen von diesem ab ragt, wobei ein äußerer Rand des Flansches eine Radialdichtung gegen das Statorgehäuse und/oder den Deckel aufweist, wobei der Flansch eine Vielzahl von Wicklungsdurchbrüchen aufweist, die als Langlöcher ausgebildet sind, deren Längsausdehnung in Radialrichtung hinsichtlich einer Achse des Bauteils weist, wobei der Flansch auf einer Stirnseite des Statorblechpakets dichtend befestigt und die Wicklung anschließend durch die Wicklungsdurchbrüche eingebracht ist, wobei zwischen dem Deckel und dem zylindrischen Ring eine weitere Radialdichtung vorgesehen ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich eine anforderungsgerechte sowie permanente Kühlung des Wickelkopfes und damit eine höhere Dauerleistung der elektrischen Maschine. Das Bauteil lässt sich durch Blechumformen in Großserientechnologie kostengünstig realisieren. Dabei besteht ein nur geringer Bauraumbedarf für das Bauteil und damit wegen der Zwischenräume im Bauteil und dessen geringe Wanddicken ein hohes Kühlmittelvolumen bei hoher Festigkeit, insbesondere wenn als Ausgangsmaterial für das Bauteil Feinblech verwendet wird. Auf diese Weise ist ein Trockenläufer-Motor mit höherem Wirkungsgrad als bisher realisierbar. Somit entfallen Öl-Schleppverluste.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Statorblechpakets und eines Bauteils,
2 eine schematische Ansicht des Statorblechpakets mit dem aufgeklebten Bauteil,
3 eine schematische Ansicht des Statorblechpakets mit dem aufgeklebten Bauteil und einer durch Wicklungsdurchbrüche des Bauteils in das Statorblechpaket eingebrachten Wicklung, und
4 eine schematische Detailansicht eines Statorgehäuses mit dem darin angeordneten Statorblechpaket mit dem aufgeklebten Bauteil und einer durch die Wicklungsdurchbrüche in das Statorblechpaket eingebrachten Wicklung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 ist eine schematische Ansicht eines Statorblechpakets 1 für eine elektrische Maschine mit hoher Leistungsdichte, beispielsweise eine Antriebsmaschine für ein Fahrzeug, und eines Bauteils 2, beispielsweise einer Blechkapsel 2. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Bauteil 2 auch mit anderen Werkstoffen wie zum Beispiel Kunststoff oder CFK realisiert sein.
Das Bauteil 2 weist einen zylindrischen Ring 3 und einen Flansch 4 auf, der an einem Ende an dem zylindrischen Ring 3 angeordnet ist und radial nach außen von diesem ab ragt. Ein äußerer Rand 5 des Flansches 4 kann umgebördelt sein und weist eine umlaufende Dichtringnut 6 zur Aufnahme eines Dichtrings 10 auf. Der Flansch 4 weist eine Vielzahl von Wicklungsdurchbrüchen 7 auf, die als Langlöcher ausgebildet sind, deren Längsausdehnung in Radialrichtung hinsichtlich einer Achse A des Bauteils 2 weist.
Nach der Herstellung des Statorblechpakets 1 wird das Statorblechpaket 1 durch Aufkleben des Bauteils 2, das heißt Aufkleben von dessen Flansch 4 auf einer Stirnseite des Statorblechpakets 1 abgedichtet. 2 ist eine schematische Ansicht des Statorblechpakets 1 mit dem aufgeklebten Bauteil 2. Die Abdichtung erfolgt bevor eine Wicklung 8 eingebracht wird, da zu diesem Zeitpunkt definierte Flächen zum Abdichten vorliegen, sodass eine sichere Klebung vorgenommen werden kann. 3 ist eine schematische Ansicht des Statorblechpakets 1 mit dem aufgeklebten Bauteil 2 und einer durch die Wicklungsdurchbrüche 7 in das Statorblechpaket 1 eingebrachten Wicklung 8. 4 ist eine schematische Detailansicht eines Statorgehäuses 9 mit dem darin angeordneten Statorblechpaket 1 mit dem aufgeklebten Bauteil 2 und einer durch die Wicklungsdurchbrüche 7 in das Statorblechpaket 1 eingebrachten Wicklung 8.
Das Bauteil 2 ist beispielsweise ein dünnwandiges, speziell geformtes Blechbauteil, das mit dem Statorblechpaket 1 verbunden wird und realisiert in Verbindung mit dem Statorgehäuse 9, in dem das Statorblechpaket 1 angeordnet wird, eine Kapselung eines durch die Wicklung 8 gebildeten Wickelkopfes 15. Dabei dichtet ein in der Dichtringnut 6 eingebrachter Dichtring 10 radial gegen das Statorgehäuse 9. Es kann ein Deckel 14 vorgesehen sein, der Teil des Statorgehäuses 9 sein kann und ein zylindrisches Innenteil 11 aufweist, das in den zylindrischen Ring 3 eingreift. In einer in Radialrichtung äußeren Fläche des zylindrischen Innenteils 11 kann eine weitere Dichtringnut 12 vorgesehen sein, in der ein weiterer Dichtring 13 angeordnet ist, der gegen eine Innenfläche des zylindrischen Rings 3 dichtet.
Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere geeignet für Steckwicklungen von Radialflussmotoren (unter anderem Hairpin-Wicklungen).
Das Bauteil 2 wird mit dem Statorblechpaket 1 flächig dicht gefügt. Bei Backlack-Statoren wird das Bauteil 2 vorzugsweise mit Backlack gemeinsam mit dem Statorblechpaket 1 gebacken. Optional kann ein Auftrag eines Isolationslacks im Blechkapselmantel erfolgen.
Die Wicklung 8, insbesondere Steckwicklung (Hairpins, I-Pins usw.) wird durch die Wicklungsdurchbrüche 7 des Bauteils 2 hindurch in Nuten des Statorblechpakets 1 montiert und beim Träufeln des Isolationslacks in die Nuten abgedichtet.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich eine anforderungsgerechte sowie permanente Kühlung des Wickelkopfes 15 und damit eine höhere Dauerleistung der elektrischen Maschine. Das Bauteil 2 lässt sich durch Blechumformen in Großserientechnologie kostengünstig realisieren. Dabei besteht ein nur geringer Bauraumbedarf für das Bauteil 2 und damit wegen der Zwischenräume im Bauteil 2 und dessen geringe Wanddicken ein hohes Kühlmittelvolumen bei hoher Festigkeit, insbesondere wenn als Ausgangsmaterial für das Bauteil 2 Feinblech verwendet wird. Auf diese Weise ist ein Trockenläufer-Motor mit höherem Wirkungsgrad als bisher realisierbar. Somit entfallen Öl-Schleppverluste.
Es sind unterschiedliche Abdicht-Lösungen für die Fügestelle zwischen dem Statorpaket 1 und dem Bauteil 2 realisierbar: beispielsweise Flüssigdichtung, Laserschweißen und/oder Backlack.
Ferner sind unterschiedliche Lösungen für die Radialdichtung zwischen dem Bauteil 2 und dem Statorgehäuse 9 realisierbar: beispielsweise an-vulkanisierte Dichtungen am Bauteil 2, drückgewalzte oder pressenfallend (das heißt im Umformprozess integrierte) angeformte Dichtringnuten 6,12.
In einer Ausführungsform ist das Bauteil 2 mit amagnetischem Blechwerkstoff oder aus Kunststoff gebildet.
Bei Verwendung kostengünstiger O-Ring-Dichtungen als Dichtringe 10, 13 ergibt sich eine demontierbare Dicht-Lösung. Der Innendurchmesser des Stators entspricht dem Innendurchmesser der Kapselung, so dass die Kapselung größer ist als der Luftspalt zwischen Stator und Rotor. Der Luftspalt wird also auf mindestens einer Seite nicht oder kaum verkleinert. Das heißt, dass die Maße von Rotor und Stator unverändert bleiben und die elektrische Maschine dadurch die gleiche Leistung aufweist wie ohne Kapselung.
Bezugszeichenliste

1: Statorblechpaket
2: Bauteil, Blechkapsel
3: zylindrischer Ring
4: Flansch
5: Rand
6: Dichtringnut
7: Wicklungsdurchbruch
8: Wicklung
9: Statorgehäuse
10: Dichtring
11: zylindrisches Innenteil
12: weitere Dichtringnut
13: weiterer Dichtring
14: Deckel
15: Wickelkopf
A: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018000875 A1 [0005]

Claims

Stator für eine elektrische Maschine, umfassend ein Statorgehäuse (9) und ein darin angeordnetes Statorblechpaket (1) sowie eine im Statorblechpaket (1) eingebrachte Wicklung (8), die einen Wickelkopf (15) ausbildet, wobei ein Deckel (14) vorgesehen ist, der den Wickelkopf (15) unter Ausbildung eines Hohlraums für ein Kühlmedium umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil (2) vorgesehen ist, das einen zylindrischen Ring (3) und einen Flansch (4) aufweist, der an einem Ende an dem zylindrischen Ring (3) angeordnet ist und radial nach außen von diesem ab ragt, wobei ein äußerer Rand (5) des Flansches (4) eine Radialdichtung gegen das Statorgehäuse (9) und/oder den Deckel (14) aufweist, wobei der Flansch (4) eine Vielzahl von Wicklungsdurchbrüchen (7) aufweist, die als Langlöcher ausgebildet sind, deren Längsausdehnung in Radialrichtung hinsichtlich einer Achse (A) des Bauteils (2) weist, wobei der Flansch (4) auf einer Stirnseite des Statorblechpakets (1) dichtend befestigt und die Wicklung (8) anschließend durch die Wicklungsdurchbrüche (7) eingebracht ist, wobei zwischen dem Deckel (14) und dem zylindrischen Ring (3) eine weitere Radialdichtung vorgesehen ist.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) aus Blech, insbesondere einem amagnetischen Blechwerkstoff, oder aus Kunststoff oder CFK gebildet ist.
Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (14) als Teil des Statorgehäuses (9) ausgebildet ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (8) als eine Steckwicklung ausgebildet ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialdichtung einen Dichtring (10, 13) und eine umlaufende Dichtringnut (6, 12) zur Aufnahme des Dichtrings (10, 13) umfasst oder wobei die Radialdichtung anvulkanisiert ist.
Verfahren zur Montage eines Stators einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (4) des Bauteils (2) auf einer Stirnseite des Statorblechpakets (1) dichtend befestigt und die Wicklung (8) anschließend durch die Wicklungsdurchbrüche (7) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolationslack auf die Wicklung (8) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorpaket (1) und das Bauteil (2) durch eine Flüssigdichtung, durch Laserschweißen und/oder Backlack miteinander verbunden werden.