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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine generatorisch und/oder motorisch betreibbare elektrische Maschine, umfassend einen aus umfassend einem Blechpaket gebildeten Statorkörper mit einer Vielzahl sich in axialer Richtung erstreckenden und radial randoffen ausgebildeten Statornuten zur Aufnahme von zumindest jeweils einer Statorwicklung .
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In elektrischen Maschinen entsteht im Betrieb eine Verlustleistung in Form von Wärme. Wenn die Kühlung über freie Konvektion, Wärmeleitung zu benachbarten Komponenten oder Wärmestrahlung in die Umgebung nicht mehr ausreicht, ist eine aktive Kühlung erforderlich. Eine solche Kühlung kann durch ein bewegtes Fluid erfolgen, welches bei einem Innenläufer beispielsweise durch einen um den Stator liegenden Kühlmantel geführt wird.
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Mit einer direkten Kühlung besteht die Möglichkeit die entstehende Wärme gezielt am Ort der Entstehung abzuführen. Hierdurch kann das allgemeine Temperaturniveau in elektrischen Maschinen abgesenkt sowie für eine homogenere Temperaturverteilung gesorgt werden. Dies ermöglicht beispielsweise auch den Einsatz kostengünstigerer und leichterer Materialien.
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Weitere Verbesserungen zur Kühlung bieten beispielsweise getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators als auch in die Nut zusätzlich zu den Leitern eingebracht werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche eine verbesserte aktive Kühlung durch ein Kühlmedium aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator einem Blechpaket gebildeten Statorkörper mit einer Vielzahl sich in axialer Richtung erstreckenden und radial randoffen ausgebildeten Statornuten zur Aufnahme von zumindest jeweils einer Statorwicklung wobei die Statornuten eine Mehrzahl von aus den Statornuten in Richtung der aufgenommenen Statorwicklung hervorstehende und an den Statornuten fixierte Abstandselemente aufweist, die die Statorwicklung gegenüber der jeweiligen Statornut beabstanden und zur Kühlung des Stators wenigstens einen von einem Kühlmittel durchstömbaren Kühlkanal definiert.
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Durch die definierte Positionierung bzw. Halterung der elektrischen Leiter der Statorwicklung in den Statornuten des Stators durch die Abstandselemente kann das Kühlmittel, beispielsweise ein Öl, in einer definierten Weise durch die Statornuten hindurchfließen. Hierdurch lassen sich ein geringer Druckverlust, sowie ein hoher Wärmeübergang durch erzwungene Konvektion zwischen dem Eisen des Statorkörpers und dem Kühlmittel sowie zwischen der Statorwicklung und dem Kühlmittel realisieren. Die Abstandselemente definieren so wenigstens einen barrierefreien Kühlkanal zwischen den Drähten der Statorwicklung und den Statornuten.
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Zur Ausbildung des Kühlkanals sowie einer definierten Kühlmittelführung sind in den Statornuten die Abstandselemente fixiert, welche gelegentlich auch als Spacer bezeichnet werden. Diese Abstandselemente stellen zum einen durch ihre Höhe einen definierten Abstand zwischen Drähten der Statorwicklung und dem Statorkörper sicher.
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Die Form der Abstandselemente kann z.B. kreisförmig, mäanderförmig oder pfeilförmig sein, oder sonst eine beliebige Kontur haben, welche die Kühlmittelverteilung verbessert. Durch die Geometrie der Abstandselemente kann auch ein „hydraulischer Abgleich“ realisiert werden, indem der lokale Strömungswiderstand erhöht oder gesenkt wird. Damit kann der Volumenstrom und der Wärmeübergangskoeffizient gezielt gesteuert und der Statorkörper an thermisch hochbelasteten Bereichen lokal stärker gekühlt werden.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Elektrische Maschinen im Sinne dieser Erfindung dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
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Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Bevorzugt ist die elektrische Maschine im Zusammenhang mit dieser Erfindung als Radialflussmaschine ausgebildet.
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Das Motorgehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.
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Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Motorgehäuse ganz oder teilweise aus einem Kunststoff auszubilden.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Die elektrische Maschine kann ebenfalls bevorzugt in einem Hybridmodul verbaut sein. In einem Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können ein Elektromotor und ein Kupplungssystem, insbesondere mit einer Trennkupplung zum Einkuppeln des Elektromotors in und/oder Auskuppeln des Elektromotors aus dem Antriebsstrang, in einem Hybridmodul vorhanden sein.
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Ein Hybridmodul kann je nach Eingriffspunkt des Elektromotors in den Antriebsstrang in die folgenden Kategorien P0-P4 eingeteilt werden:
- P0: der Elektromotor ist vor der Brennkraftmaschine angeordnet und beispielsweise über einen Riemen mit der Brennkraftmaschine gekoppelt. Bei dieser Anordnung des Elektromotors wird dieser auch gelegentlich als Riemenstartergenerator (RSG) bezeichnet,
- P1: der Elektromotor ist direkt hinter der Brennkraftmaschine angeordnet. Die Anordnung des Elektromotors kann beispielsweise kurbelwellenfest vor der Anfahrkupplung erfolgen,
- P2: der Elektromotor ist zwischen einer häufig als K0 bezeichneten Trennkupplung und der Anfahrkupplung aber vor dem Fahrzeuggetriebe im Antriebsstrang angeordnet,
- P3: der Elektromotor ist im Fahrzeuggetriebe und/oder der Getriebeausgangswelle angeordnet,
- P4: der Elektromotor ist an einer bestehenden oder separaten Fahrzeugachse angeordnet und
- P5: der Elektromotor ist am oder im Fahrzeugrad angeordnet, beispielsweise als Radnabenmotor.
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Bevorzugt ist die elektrische Maschine zur Verwendung in einem P2-Hybridmodul konfiguriert.
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Des Weiteren kann es auch bevorzugt sein, dass die elektrische Maschine für eine Verwendung in einem elektrischen Achsantriebsstrang vorgesehen ist. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend eine elektrische Maschine und ein Getriebe, wobei die elektrische Maschine und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine und das Getriebe in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Maschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung des Getriebes gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
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Der erfindungsgemäße Stator ist insbesondere für eine Verwendung in einer Radialflussmaschine vorgesehen Besonders bevorzugt ist der Stator in einem Motorgehäuse aufgenommen.
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Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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Als Blechpaket bzw. Statorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Blechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verkeilen oder Verschraubung oder dergleichen zusammengehalten bleiben.
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Ein einteiliger Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Statorkörper umfänglich gesehen einteilig ausgebildet ist. Der Statorkörper ist dabei in der Regel aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet, wobei jedes der Elektrobleche zu einem Kreisring geschlossen ausgebildet ist.
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Ein segmentiert aufgebauter Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einzelnen Statorsegmentteilen aufgebaut ist. Der Statorkörper kann dabei aus einzelnen Statorzähnen oder Statorzahngruppen aufgebaut sein, wobei jeder einzelne Statorzahn oder jede einzelne Statorzahngruppe aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet sein kann, wobei jedes der Elektrobleche als Statorsegmentblechteil ausgebildet ist. Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Stator als einteiliger Stator aufgebaut.
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Der Stator einer Radialflussmaschine, was im Zusammenhang mit dieser Erfindung eine bevorzugte Konfiguration des Stators darstellt, ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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Eine Statorwicklung ist ein elektrisch leitfähiger Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als sein Durchmesser. Die Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet. Bevorzugt weist eine Statorwicklung eine Isolierung auf. Zur Isolierung der Statorwicklung kann beispielsweise Glimmerpapier, welches aus mechanischen Gründen durch einen Glasgewebeträger verstärkt sein kann, in Bandform um eine oder mehrere Statorwicklungen gewickelt sein, welche mittels eines aushärtenden Harzes imprägniert sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine aushärtbare Lackschicht ohne ein Glimmerpapier zu verwenden um eine Statorwicklung zu isolieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von einzelnen Statorwicklungen zumindest abschnittsweise in Richtung ihrer Längserstreckung parallel und/oder in einer gemeinsamen Wicklungsebene verlaufen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass hierdurch eine hohe Packungsdichte der Statorwicklungen erzielt werden kann, woraus eine verbesserte Leistungsdichte resultiert. Zum anderen kann hierdurch eine einfache und definierte Anordnung der Statorwicklungen zueinander erreicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Abstandselemente aus einem Kunststoff geformt sind. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Isolation der Statorwicklung nicht durch die Abstandselemente beschädigt werden, da dies zu einem elektrischen Kurzschluss zwischen Statorwicklung und Statoreisen führen kann.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass das Blechpaket eine Vielzahl von Statorblechen umfasst und die Abstandselemente einstückig mit den Statorblechen, insbesondere durch Spritzgussverfahren, ausgeformt sind. Die Abstandselemente können grundsätzlich durch Umspritzen, Umgießen, Laminieren, Rakeln, Dispensen und/oder durch aufbringen von Strips erzeugt bzw. aufgebracht werden.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass die Abstandselemente aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff geformt sind.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die Abstandselemente aus einem elektrisch nicht leitenden Kunststoff geformt sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die Abstandselemente aus einem Kunststoff gebildet ist, welcher elektrisch nicht leitende Füllstoffe enthält, wie beispielsweise Steinmehl, Glasfaser und/oder Bornitrid.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Abstandselemente punktartig in den Statornuten angeordnet sind. Durch eine punktartige Anordnung der Abstandselemente wird sichergestellt, dass das Kühlmittel die Statornut frei durchfließen kann und dabei einen großen Teil der Wicklungsoberfläche der Statorwicklung umspült.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die Abstandselemente im Wesentlichen identisch ausgeformt sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele innerhalb des technisch machbaren frei miteinander kombiniert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine Ausführungsform des Stators in einer schematischen Axialschnittansicht.
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Die 1 zeigt einen Stator 1 für eine generatorisch und/oder motorisch betreibbare elektrische Maschine, umfassend einen aus einem Blechpaket 2 gebildeten Statorkörper 3 mit einer Vielzahl sich in axialer Richtung erstreckenden und radial randoffen ausgebildeten Statornuten 4 zur Aufnahme von zumindest jeweils einer Statorwicklung 5. Die jeweils radiale randoffene Öffnung der Statornuten 4 ist von je einem Nutverschlusskeil 9 verschlossen. Aufgrund des Axialschnitts ist in der 1 lediglich eine Statornut 4 sichtbar. Das Statorblechpaket 2 umfasst die paketierten Statorblech 10.
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Die Statornuten 4 besitzen eine Mehrzahl von aus den Statornuten 4 in Richtung der aufgenommenen Statorwicklung 5 hervorstehende und an den Statornuten 4 fixierte Abstandselemente 6, die die Statorwicklung 5 gegenüber der jeweiligen Statornut 4 beabstanden und zur Kühlung des Stators 1 wenigstens einen von einem Kühlmittel 7 durchstömbaren Kühlkanal 8 definieren, was durch den Pfeil angedeutet ist. Der Kühlkanal 8 besitzt in der dargestellten Ausführungsform eine mäanderförmige Flussrichtung.
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Es sind in der gezeigten Ausführungsform zwei Gruppen von Abstandselementen 6 an den Statorblechen 10 angeformt. Die Abstandselemente 6 sind aus einem Kunststoff geformt und durch die zwei Gruppen von Statorblechen 10 axial abwechselnd radial versetzt zueinander am Statorkörper 3 angeordnet. Man erkennt anhand der 1 gut, dass die Abstandselemente 6 in der gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen identisch ausgeformt sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Blechpaket
- 3
- Statorkörper
- 4
- Statornuten
- 5
- Statorwicklung
- 6
- Abstandselemente
- 7
- Kühlmittel
- 8
- Kühlkanal
- 9
- Nutverschlusskeil
- 10
- Statorbleche
