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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Stators.
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Elektrische Maschinen sind zwar seit langer Zeit bekannt, werden jedoch nach wie vor in vielen technischen Gebieten eingesetzt. Dementsprechend besteht nach wie vor Bedarf für Verbesserungen und Vereinfachungen, beispielsweise hinsichtlich eines effizienteren Betriebs, einer größeren Leistungsdichte oder auch einer vereinfachten oder schnelleren Fertigung bzw. der Vermeidung von Fertigungsproblemen.
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Als einen Ansatz hierfür beschreibt beispielsweise die
CH 350 038 B ein Verfahren zur Herstellung von Statorwicklungen für elektrische Maschinen, bei welchem die Wicklungsdrähte einzeln in die Statornuten eingelegt und mittels Nutverschlüssen festgehalten werden. Nach dem Einlegen jeder Drahtlage in die Statornuten wird dort ein aushärtbares, lösungsmittelfreies Harz in die Statornuten unter Druck eingespritzt. Nachdem alle Wicklungslagen eingelegt sind und der Nutverschluss hergestellt worden ist, wird der ganze Stator einer Wärmebehandlung unterworfen. Damit sollen bei bisherigen Statorwicklungen auftretende Lufteinschlüsse vermieden werden. Bei der Massenproduktion elektrischer Maschinen kann es jedoch nachteilig sein, dass das Einspritzen oder Einpressen des Harzes je nach dessen Viskosität und Größe der Statornuten eine erhebliche Zeit beanspruchen kann, sodass sich hierfür eine entsprechend lange Taktzeit bei der Fertigung ergeben kann.
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Nicht nur die Fertigung stellt also eine Herausforderung dar, sondern es ist auch zu beobachten, dass die Wicklungen elektrischer Maschinen im Betrieb erhebliche Wärmemengen erzeugen können, was hinsichtlich einer effektiven Kühlung herausfordernd sein und/oder zu einer Leistungsbeschränkung führen kann. Vor diesem Hintergrund beschreibt die
DE 10 2014 215 148 A 1 eine Wärmetransfereinrichtung zur Bewerkstelligung eines Wärmeabgriffs aus einem durch eine elektrische Entwicklung gebildeten Wicklungsbereich. Darin ist ein Kühlkörper vorgesehen, der sich in verbautem Zustand entlang des Wicklungsbereichs erstreckt und der eine, einen Rohrquerschnitt definierende Rohrwandung aufweist. Der Kühlkörper umfasst dabei zudem wenigstens eine Stegwandung, die an die Rohrwandung des Kühlkörpers angebunden ist und von der Rohrwandung nach außen derart abragt, dass die Stegwandung in verbautem Zustand in den von der Wicklung eingenommenen Raumbereich hinein eintaucht oder sich entlang des Wicklungsbereiches erstreckt, zur Aufnahme eines Wärmestromes aus dem Wicklungsbereich und zur Leitung des Wärmestromes zu der Rohrwandung. Damit sollen fertigungs- und montagetechnische Vorteile realisiert sowie ein hohes und hinsichtlich der Temperaturverteilung innerhalb der Wicklung vorteilhaftes Wärmetransfervermögen erreicht werden.
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Als weiterer Ansatz ist in der
EP 3 672 029 A1 ein Nutverschluss für eine elektrische Maschine, die einen Stator mit wenigstens einer Statornut umfasst, beschrieben. In der Statornut ist wenigstens eine elektrische Statorwicklung aufgenommen und der Nutverschlusskeil verschließt die Statornut zumindest abschnittweise. Der Nutverschlusskeil umfasst dabei wenigstens einen von einem Fluid durchströmbaren Kühlkanal zum Kühlen der Statorwicklung. Ferner umfasst der Nutverschlusskeil einen Turbulator, der in dem Kühlkanal angeordnet und dazu eingerichtet ist, das durch den Kühlkanal strömende Fluid zu verwirbeln. Damit soll ein Nutverschlusskeil bereitgestellt werden, der eine verbesserte Kühlleistung aufweist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine effizient zu fertigende und zu betreibende elektrische Maschine zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren offenbart.
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Ein erfindungsgemäßer Stator für eine elektrische Maschine weist ein Statorjoch, mehrere bzw. eine Vielzahl von daran ausgebildeten Statorzähnen mit dazwischenliegenden Statornuten und eine Statorwicklung auf. Die Statorwicklung ist durch die Statornuten geführt und bildet stirnseitig, also an ihren Enden in axialer Richtung des Stators, einen oder mehrere Wickelköpfe aus. Die axiale Richtung verläuft dabei entlang einer zentralen Längsachse des Rotors, um die in bestimmungsgemäßer Einbaulage des Stators in der elektrischen Maschine der Stator zentriert ist und ein Rotor der elektrischen Maschine relativ zu dem Stator rotieren kann.
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Erfindungsgemäß weist das Statorjoch wenigstens einen Vergusskanal auf, der radial, also in senkrecht zu der axialen Richtung stehender radialer Richtung, von den Statornuten beabstandet ist. Der wenigstens eine Vergusskanal durchgreift das Statorjoch in axialer Richtung vollständig, erstreckt sich also in axialer Richtung über die oder entlang der gesamte/n Länge des Statorjochs.
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Der wenigstens eine Vergusskanal weist gemäß einer Ausführung eine Querschnittsfläche auf, die größer ist als die Querschnittsfläche eines nicht von der darin angeordneten Statorwicklung eingenommenen Zwischenraums in wenigstens einer der Statornuten. Bei dem Zwischenraum in der Statornuten kann es sich beispielsweise um einen Fügespalt zwischen einer Innenseite der Statornuten und der darin angeordneten Statorwicklung und/oder um einen Zwischenraum zwischen mehreren Adern oder Drähten der Statorwicklung oder unterschiedlicher Statorwicklungen in der jeweiligen Statornut handeln. Die Querschnittsflächen sind hier die Größen oder Erstreckungen in einer senkrecht zu der axialen Richtung stehenden, in radialer Richtung erstreckten Querschnittsebene durch den Stator. Insbesondere kann die Summe der Querschnittsflächen aller Vergusskanäle größer, insbesondere viel größer, sein als die Summe aller Querschnittsflächen aller Zwischenräume oder Fügespalte in den Statornuten.
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Erfindungsgemäß sind sowohl der wenigstens eine Vergusskanal - sofern es mehrere Vergusskanäle gibt, insbesondere alle Vergusskanäle - als auch die Statornuten, insbesondere jenseits der darin angeordneten Statorwicklung, sprich die Zwischenräume oder Fügespalte in allen Statornuten, durch eine elektrisch isolierende Vergussmasse verfüllt, also ausgefüllt. Insbesondere können die Zwischenräume bzw. Fügespalte vakuumverfüllt, also die Vergussmasse unter Vakuum in den Stator eingebracht sein. Dadurch können ein besonders guter Füllungsgrad erreicht und beispielsweise Lufteinschlüsse in der Vergussmasse zumindest im Wesentlichen vermieden werden.
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Der Stator einer elektrischen Maschine ist in thermischer Hinsicht, also für ein Wärmemanagement bzw. ein Vermeiden einer Überhitzung der elektrischen Maschine, kritisch, kann jedoch bei bekannten elektrischen Maschinen oftmals nur relativ schlecht entwärmt bzw. gekühlt werden. Dazu ist insbesondere ein Wärmeleitpad von der Statorwicklung zu einem Aktivmaterial des Stators, also etwa zu Elektroblechen des Stators, und weiter zu einem umgebenden oder äußeren Gehäuse des Stators ausschlaggebend. Durch das Verfüllen der Zwischenräume in den Statornuten können sowohl die Statorwicklung - bzw. deren einzelne Litzen, Adern oder Drähte - als auch die der jeweiligen Statorwicklung zugewandte Innenseite der Statornuten mit der Vergussmasse belegt werden. Die Vergussmasse schafft somit also einen ununterbrochenen Wärmeleitpad von der Statorwicklung zu den Statorzähnen bzw. dem Statorjoch, also dem Aktivmaterial des Stators. Insbesondere kann somit also in der Statorwicklung erzeugte Wärme durch die Vergussmasse in das Aktivmaterial des Stators fließen, ohne dass sie dabei eine thermisch isolierende wirkende Luftstrecke überwinden müsste. Die hier vorgesehene Vergussmasse ermöglicht damit eine besonders schnelle, effiziente und effektive Entwärmung der Statorwicklung. Damit lässt sich dann wiederum eine größere Dauerleistung der elektrischen Maschine erreichen. Aber selbst wenn durch die Vergussmasse die Entwärmbarkeit des Stators nicht verbessert oder sogar leicht verschlechtert würde, kann die Verwendung der Vergussmasse insgesamt dennoch vorteilhaft sein, da die an anderer Stelle beschriebenen Vorteile überwiegen können, etwa hinsichtlich der beschleunigten Fertigung.
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Durch die isolierende Wirkung und den direkten Kontakt der Vergussmasse mit übrigen Teilen des Stators kann zudem auf eine separate oder zusätzliche Imprägnierung des Stators verzichtet werden.
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Die Herstellung oder Produktion eines herkömmlich ausgestalteten Stators mit einem derartigen Verguss der Statorwicklung hat sich jedoch als sehr zeitaufwendig herausgestellt. Dies ist der Fall, da herkömmlich die Vergussmasse von einer Angussseite aus nur durch die Zwischenräume in den Statornuten in Richtung der offenen Seite steigen oder fließen kann, um den gesamten Stator bzw. die Statornuten in axialer Richtung vollständig zu durchsetzen, und die Zwischenräume zur Maximierung der Leistungsfähigkeit der entsprechenden elektrischen Maschine möglichst klein gehalten werden sollen. Somit ergibt sich in der Produktion eines solchen Stators eine besonders lange Taktzeit für diesen Fertigungsschritt, wodurch die Anwendung oder Verwendung der Vergussmasse in hohen Stückzahlen unpraktikabel oder unwirtschaftlich wird bzw. zu entsprechend erhöhten Kosten führen kann.
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Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen wenigstens einen zusätzlichen Vergusskanal kann die Vergussmasse von der Angussseite in axialer Richtung den Stator mit im Vergleich zu den Zwischenräumen der Statornuten signifikant geringerem Widerstand und somit signifikant schneller durchdringen und zu der gegenüberliegenden Seite des Stators gelangen. Von dieser gegenüberliegenden Seite aus kann die Vergussmasse dann zusätzlich zu der Angussseite ebenfalls in die Zwischenräume in den Statornuten eindringen. Die Vergussmasse kann die Zwischenräume in den Statornuten dann also von beiden Seiten, das heißt von beiden in axialer Richtung außen liegenden Enden des Stators füllen. Dadurch kann die Füllzeit zum vollständigen Ausfüllen der Zwischenräume in den Statornuten signifikant reduziert und somit eine schnellere und kostengünstigere und damit auch hochstückzahltaugliche Fertigung des Stators ermöglicht werden. Dies ist dabei insbesondere ohne weitere Modifikationen, beispielsweise veränderte Anlagen, Maschinen oder Einfüll- bzw. Gießprozesse möglich.
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Gemäß einer Ausführung kann der wenigstens eine Vergusskanal in einem elektromagnetisch nicht oder nur relativ wenig oder schwach aktiven Bereich des Statorjochs angeordnet sein, sodass eine Leistungsfähigkeit der entsprechenden elektrischen Maschine durch den Vergusskanal nicht oder nicht signifikant reduziert wird.
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Der erfindungsgemäße Stator kann beispielsweise für eine permanent erregte Synchronmaschine verwendet werden. Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf eine bestimmte Art elektrischer Maschinen beschränkt.
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In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Vergussmasse eine Wärmeleitfähigkeit auf, die größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von Luft. Die Vergussmasse kann beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,5 W/(m.K), bevorzugt von wenigstens 0,8 W/(m.K), aufweisen. Dies kann beispielsweise erreicht werden, in dem für oder als die Vergussmasse ein entsprechend wärmeleitfähiger keramischer Füllstoff oder ein entsprechend wärmeleitfähiges Kunststoffmaterial oder Polymer verwendet wird. Insbesondere kann für die Vergussmasse ein Material verwendet werden, dass eine Glasübergangstemperatur aufweist, die oberhalb von im Betrieb des Stators bzw. der entsprechenden elektrischen Maschine bestimmungsgemäß zu erwartenden oder auftretenden Temperaturen liegt. Damit kann die Vergussmasse im Rahmen der Fertigung des Stators entsprechend erwärmt und in erweichtem, zähflüssigem oder flüssigem Zustand in den Vergusskanal und die Zwischenräume in den Statornuten eintreten und sich dann durch Abkühlung verfestigen. Die Vergussmasse kann dann auch im Betrieb des erfindungsgemäßen Stators in den Zwischenräumen verbleiben, um als Wärmeleitelement zu fungieren, ohne dass dazu beispielsweise eine zusätzliche Abdichtung oder Einhausung vorgesehen werden müsste. Durch die hier vorgeschlagene Materialwahl bzw. Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse kann eine besonders effektive Entwärmung der Statorwicklung erreicht werden, was wie bereits angedeutet einen Betrieb der elektrischen Maschine mit besonders hoher Leistung, insbesondere besonders hoher Dauerleistung, ermöglichen kann. Somit kann also eine entsprechend größere Leistung der elektrischen Maschine erreicht oder die elektrische Maschine für eine vorgegebene Leistung kleiner und damit auch kostengünstiger ausgelegt und gefertigt werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Wickelköpfe zumindest größtenteils in die Vergussmasse eingebettet. Mit anderen Worten kann die Vergussmasse also die Wickelköpfe ganz oder teilweise umgeben oder einschließen. Dabei kann die Vergussmasse insbesondere in direktem wärmeleitendem Kontakt mit den Wickelköpfen stehen. Die Wickelköpfe selbst können eine komplexe Form und Oberfläche aufweisen, die einen direkten wärmeleitenden Kontakt zu herkömmlichen Kühlelementen, beispielsweise Kühlmittelleitungen oder einer Kühlplatte erschwert. Demgegenüber kann die Vergussmasse einen besonders großflächigen wärmeleitenden Kontakt mit den Wickelköpfe herstellen oder haben und gleichzeitig nach außen hin eine glatte Oberfläche bilden, an die beispielsweise besonders einfach ein Kühlelement, Kühlsystem oder Kühlkreislauf wärmeleitend gekoppelt werden kann. Da auch in den Wickelköpfen im Betrieb des Stators bzw. der entsprechenden elektrischen Maschine eine signifikante Wärmemenge entstehen kann, die hier durch die Vergussmasse effektiv und effizient abgeführt werden kann, kann die Entwärmung des Stators so weiter verbessert und damit beispielsweise die Dauerbelastbarkeit der elektrischen Maschine weiter erhöht werden. Ein die Wickelköpfe einbettender Teil oder Bereich der Vergussmasse kann dabei insbesondere einstückig, also durchgängig oder zusammenhängend mit einem die Zwischenräume in den Statornuten ausführenden Teil oder Bereich der Vergussmasse ausgebildet sein oder in Verbindung stehen. Es kann also die gesamte Vergussmasse des Stators ein durchgängiges oder zusammenhängendes Wärmeleitelement bilden. Dies ermöglicht eine besonders effektive und effiziente Wärmeableitung aus dem Stator.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der wenigstens eine Vergusskanal in Umfangsrichtung so angeordnet, dass eine jeweilige gedachte Radiallinie, die sich von einer mit Mittellängsachse, also insbesondere der genannten zentralen in axialer Richtung erstreckenden Achse, des Stators zu einer in Umfangsrichtung mittigen Stelle des jeweiligen Vergusskanals und/oder zu einer in radialer Richtung dicksten Stelle des jeweiligen Vergusskanals erstreckt, durch einen dem jeweiligen Vergusskanal nächstliegenden der Statorzähne verläuft. Die jeweilige gedachte Radiallinie kann insbesondere mittig durch den jeweiligen Statorzahn verlaufen. Der Vergusskanal ist also in der Querschnittsebene in radialer Verlängerung des jeweiligen nächstliegenden Statorzahns angeordnet und nicht etwa in radialer Verlängerung einer der Statornuten. Durch diese Anordnung des Vergusskanals kann eine maximale freie Breite oder Ausdehnung des Statorjochs in radialer Richtung für einen magnetischen Fluss erreicht werden. Mit anderen Worten wird also verhindert, dass in der Querschnittsebene betrachtet an der Stelle des Vergusskanals durch diesen und eine gegenüberliegende Statornut eine Engstelle des Statorjochs erzeugt wird. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann somit also eine Erhöhung des magnetischen Widerstands des Statorjochs durch den Vergusskanal minimiert werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der wenigstens eine Vergusskanal in radialer Richtung an einem von den Statorzähnen abgewandten Außenrand des Statorjochs angeordnet und auf einer von den Statorzähnen abgewandten Seite durch eine Einhausung des Stators abgedeckt. Mit anderen Worten ist bei Betrachtung des Statorjochs für sich genommen der wenigstens eine Vergusskanal also nach außen hin offen, sodass er eine Rinne oder Furche an der Außenseite des Statorjochs bildet. Dies ermöglicht einen maximalen Abstand in radialer Richtung zwischen dem Vergusskanal und der Statorwicklung bzw. einem bestimmungsgemäß an der gegenüberliegenden Seite oder Oberfläche des Stators anschließenden Luftspalt. Dadurch kann eine Beeinflussung oder Reduzierung der Leistungsfähigkeit des Stators bzw. der entsprechenden elektrischen Maschine durch den Vergusskanal minimiert werden. Dadurch, dass der Vergusskanal nach außen hin durch die Einhausung abgedeckt oder abgedichtet ist, kann die Vergussmasse bei der Fertigung des Stators dennoch ohne Weiteres gezielt in den Vergusskanal eingebracht werden, ohne sich beispielsweise über größere Teile der entsprechenden Oberfläche oder Außenseite des Statorjochs auszubreiten. Die den Vergusskanal abdeckende Einhausung kann ein spezifisch dafür vorgesehenes Bauteil oder ein Außengehäuse des Stators, dass typischerweise ohnehin vorgesehen ist, sein.
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Ebenso können der Vergusskanal bzw. wenigstens einer der Vergusskanäle oder mehrere der Vergusskanäle vom Außenrand des Statorjochs beabstandet im Vollmaterial des Statorjochs angeordnet oder ausgebildet sein, sodass dieser bzw. diese dann also quer zu seiner in axialer Richtung des Stators verlaufenden Längserstreckungsrichtung vollständig vom Material des Statorjochs gebildet oder umgeben ist. In diesem Fall ist dann beispielsweise keine zusätzliche Abdeckung oder Einhausung des Vergusskanals notwendig. Insgesamt kann der Vergusskanal also flexibel positioniert werden, beispielsweise zum Minimieren einer durch den Vergusskanal bedingten Leistungsminderung der elektrischen Maschine.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Stator mehrere Pole oder Polbereiche auf, die in der Querschnittsebene betrachtet in unterschiedlichen, in Umfangsrichtung verteilten Statorsektoren angeordnet sind. In jedem solchen Statorsektor ist dann wenigstens ein Vergusskanal angeordnet. Mit anderen Worten kann also in oder an jedem Pol oder Polbereich des Stators wenigstens ein Vergusskanal angeordnet sein. Insbesondere können die Vergusskanäle analog zu den Polen des Stators in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt sein. Dadurch wird eine entsprechend gleichmäßige und somit besonders schnelle Verfüllung der Zwischenräume in den Statornuten durch die Vergussmasse bei der Herstellung oder Fertigung des Stators ermöglicht. Nach der Herstellung wird zudem durch eine gleichmäßige, also in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Anordnung der Vergusskanäle ein besonders gleichmäßiges Betriebsverhalten des Stators bzw. der entsprechenden damit ausgestatteten elektrischen Maschine ermöglicht, indem Asymmetrien vermieden werden. Ist der Stator aus mehreren miteinander verschweißten Einzelteilen zusammengesetzt, so können die Vergusskanäle beispielsweise in Umfangsrichtung zwischen entsprechenden Schweißnuten des Stators angeordnet sein. Dadurch kann eine punktuelle Beeinflussung des magnetischen Verhaltens oder der magnetischen Eigenschaften des Stators minimiert werden, die bei einer Anordnung der Vergusskanäle in unmittelbarer Nähe der Schweißnuten entstehen bzw. größer ausfallen könnte.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen oder Fertigen des erfindungsgemäßen Stators bzw. einer damit ausgestatteten elektrischen Maschine. In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zumindest die bestimmungsgemäß letztlich zu einem Luftspalt der entsprechenden elektrischen Maschine hin offenen Seiten der Statornuten durch eine temporäre Abdeckung abgedeckt. Insbesondere kann durch diese Abdeckung ein bestimmungsgemäß für einen zu dem Stator korrespondierenden Rotor vorgesehener, bei der Herstellung des Stators noch freier Bereich durch die Abdeckung vollständig abgedeckt oder eingenommen, also ausgefüllt werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stator - samt der Abdeckung - in einer Vakuumkammer angeordnet, die evakuiert wird.
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In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann in der evakuierten Vakuum die Vergussmasse in einem fließfähigen, also flüssigen, viskosen oder plastischen, Zustand in den wenigstens einen Vergusskanal und die in den Statornuten neben der jeweils darin angeordneten Statorwicklung verbleibenden Zwischenräume eingebracht. Der Verguss unter Vakuum kann beispielsweise mittels einer Umlaufgießanlage erfolgen. Dadurch, dass Einbringen der Vergussmasse unter Vakuum, also unter einem Druck von weit unter 1 bar, erfolgt, kann die Vergussmasse effektiv in die Zwischenräume eindringen und es können Lufteinschlüsse zumindest im Wesentlichen vermieden werden. Es können nicht nur der wenigstens eine Vergusskanal und die Zwischenräume in den Statornuten mit der Vergussmasse verfüllt, sondern beispielsweise auch die Wickelköpfe mit der Vergussmasse umgeben oder eingegossen werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Abdeckung entfernt. Dies kann insbesondere nach einem Erkalten bzw. Erstarren oder Aushärten der Vergussmasse erfolgen. Damit steht dann der zuvor durch die Abdeckung eingenommene oder abgedeckte Bereich zum Anordnen des genannten Rotors im Rahmen der Fertigung der entsprechenden elektrischen Maschine zur Verfügung.
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Weitere im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator genannte Maßnahmen oder Abläufe können - gegebenenfalls optionale - weitere Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden.
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In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird zunächst anhand eines Modells des Stators bzw. der damit ausgestatteten elektrischen Maschine wenigstens ein Bereich des Statorjochs bestimmt, in dem im Betrieb des Stators in der elektrischen Maschine ein, verglichen mit anderen Bereichen des Statorjochs, niedriger magnetischer Fluss geführt wird, der also im Betrieb unterdurchschnittlich elektromagnetisch aktiv ist. Der wenigstens eine Vergusskanal wird dann in diesem bestimmten Bereich angeordnet oder erzeugt. Beispielsweise kann der wenigstens eine Vergusskanal in dem entsprechenden bestimmten Bereich in das physische, reale Statorjoch bzw. ein Material des Statorjochs gestanzt, gebohrt, gefräst oder mittels eines Lasers oder Wasserstrahls geschnitten werden. Der entsprechende Bereich kann beispielsweise mittels einer rechnergestützten Simulation des Betriebs des Stators bzw. der elektrischen Maschine unter Verwendung des Modells des Stators bestimmt werden. Dabei kann nicht nur der Bereich für den wenigstens einen Vergusskanal, sondern auch eine Form oder Querschnittsfläche des Vergusskanals bestimmt oder optimiert werden, beispielsweise anhand der Bedingung, dass eine Leistungsfähigkeit oder ein elektromagnetisches Verhalten des Stators durch den Vergusskanal möglichst wenig beeinflusst werden soll. Der Vergusskanal kann also für eine besonders einfache Fertigung eine regelmäßige oder symmetrische Form oder Querschnittsfläche aufweisen oder zur Minimierung seines Einflusses auf die elektromagnetischen Eigenschaften oder das elektromagnetische Verhalten des Stators bzw. der elektrischen Maschine unregelmäßig geformt sein. Durch die Bestimmung desjenigen Bereiches zur Anordnung des wenigstens einen Vergusskanals, der Auswirkungen des Vergusskanals auf die Leistungsfähigkeit oder das elektromagnetische Verhalten des Stators bzw. der elektrischen Maschine minimiert, kann entsprechend die vereinfachte oder beschleunigte Fertigung des Stators durch den Vergusskanal unter Inkaufnahme nur minimaler Auswirkungen auf den Betrieb des Stators bzw. der elektrischen Maschine erreicht werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine, die einen Rotor und einen von diesem durch einen Luftspalt beabstandeten erfindungsgemäßen bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Stator aufweist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator und/oder im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte elektrische Maschine sein. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art von Maschine eingeschränkt.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine erfindungsgemäße elektrische Maschine aufweist, insbesondere als Traktionsmaschine.
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Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein 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 ausschnittweise schematische Querschnittdarstellung eines Stators einer elektrischen Maschine mit Vergusskanälen; und
- 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung mehrere Fertigungsschritte zur Herstellung des Stators.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine ausschnittweise schematische Querschnittdarstellung einer elektrischen Maschine 10. Konkret ist hier ein Teil eines Stators 12 erkennbar, der ein Statorjoch 14 und daran in Richtung eines Luftspalts ausgebildete Statorzähne 16 mit dazwischenliegenden Statornuten 18 aufweist. In den Statornuten 18 kann wenigstens eine hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Statorwicklung angeordnet sein.
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Zur Verbesserung der thermischen Anbindung der Statorwicklung an die Statorzähne 16, das Statorjoch 14 und darüber an ein umgebendes Gehäuse oder einen Kühlkreislauf, ist hier ein Statorverguss vorgesehen. Mit anderen Worten sollen also in den Statornuten 18 neben der Statorwicklung verbleibenden Zwischenräume oder Fügespalte mit einem elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Material verfüllt sein oder werden. Um dies zu unterstützen, weist der Stator 12 mehrere Vergusskanäle 20 auf, von denen hier beispielhaft zwei dargestellt sind.
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Die Vergusskanäle 20 sind an einer von den Statorzähnen 16 abgewandten Außenseite des Statorjochs 14 angeordnet, insbesondere gegenüber eines jeweiligen nächstliegenden Statorzahns 16. Zur Veranschaulichung der Anordnung der Vergusskanäle 20 sind hier zwei gedachte Radiallinien 22 dargestellt, die jeweils mittig sowohl durch die Vergusskanäle 20 als auch die diesen nächstliegenden Statorzähne 16 verlaufen.
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Die Vergusskanäle 20 weisen eine signifikant größere Querschnittsfläche als die neben den Statorwicklungen in den Statornuten 18 verbleibenden Zwischenräume oder Fügespalte auf. Damit haben die Vergusskanäle 20 auch einen entsprechend niedrigeren Durchströmungswiderstand. Während die Zwischenräume oder Fügespalte in den Statornuten 18 beispielsweise eine Breite in der Größenordnung von einem 1/10 mm aufweisen können, können die Vergusskanäle 20 beispielsweise in Umfangsrichtung mehrere Millimeter breit und in radialer Richtung beispielsweise mehrere Zehntelmillimeter tief sein. Eine genaue Größe und Form der Vergusskanäle 20 kann beispielsweise abhängig von einem verwendeten Material, dessen Temperatur bei der Fertigung, einer Größe oder Länge des Stators 12 in axialer Richtung und/oder dergleichen mehr sein bzw. gewählt werden.
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Der Stator 12 kann aus mehreren Sektoren oder Einzelteilen zusammengesetzt sein, die beispielsweise miteinander verschweißt sein können. Entsprechend weist der Stator 12 hier wenigstens eine Schweißnut 24 auf. Die Schweißnuten 24 und die Vergusskanäle 20 sind dabei in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet, insbesondere regelmäßig oder gleichmäßig um den Umfang des Stators 12 verteilt.
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Zur Veranschaulichung der Fertigung des Stators 12 zeigt 2 in mehreren geschnittenen Teildarstellungen ein schematisches ausschnittweises Ablaufschema 26 zur Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens für den Stator 12 bzw. die elektrische Maschine 10. Darin wird der Stator 12 bzw. ein einen im Rahmen der Fertigung des letztendlichen Stators 12 anfallendes Zwischenprodukt in einer Vakuumkammer 28 positioniert. Der Stator 12 bzw. das entsprechende Zwischenprodukt umfasst hier bereits das geformte Aktivmaterial des Stators 12, also beispielsweise einen Stapel von Elektroblechen, die mit den Statornuten 18 und den Vergusskanälen 20 versehen sind. Auch sind in den Statornuten 18 hier bereits die Statorwicklungen angeordnet, die an axialen Stirnseiten mehrere Wickelköpfe 30 ausbilden. Weiter ist hier bereits ein Statorgehäuse 32 um das Aktivmaterial des Stators 12 herum angeordnet. Sofern die Vergusskanäle 20 zum Rand des Statorjochs 14 hin offen sind, können sie dort durch das Statorgehäuse 32 abgedeckt sein.
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Anschließend wird hier an einer axialen Stirnseite des Stators 12 eine Bodenplatte 34 und in einem letztlich für einen zu dem Stator 12 korrespondierenden Rotor vorgesehenen Innenbereich ein Abdeckstempel 36 angeordnet. Die Bodenplatte 34 verschließt das Statorgehäuse 32 an einer axialen Stirnseite, während der Abdeckstempel 36 die Statornuten 18 innenseitig, also zum bestimmungsgemäßen Luftspalt hin abdeckt.
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Nachdem die Vakuumkammer 28 evakuiert wurde, wird dann von wenigstens einer axialen Stirnseite oder von einem axialen Endbereich des Stators 12 aus eine fließfähige Vergussmasse 38 auf den Stator 12 aufgebracht bzw. in den Stator 12 eingebracht. Die Vergussmasse 38 durchdringt dabei die Vergusskanäle 20 und dann von beiden axialen Stirnseiten aus die Zwischenräume oder Fügespalte in den Statornuten 18. Zudem werden hier auch die Wickelköpfe 30 in die Vergussmasse 38 eingebettet, also mit dieser vergossen oder umgossen. Die Bodenplatte 34 und der Abdeckstempel 36 verhindern dabei eine unkontrollierte Ausbreitung der Vergussmasse 38.
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Nach einem Erstarren oder Aushärten oder zumindest einem Abkühlen der Vergussmasse 38 unter ihre Glasübergangs-, also Erweichungs- oder Fließtemperatur werden die Bodenplatte 34 und der Abdeckstempel 36 entfernt. Es verbleibt dann der vergossene Stator 12, der gegenüber einem unvergossenen, aber ansonsten gleichen Stator eine signifikant verbesserte Entwärmbarkeit bietet, da die Vergussmasse 38 Luftspalte und Zwischenräume ausfüllt und somit einen durchgängigen Wärmeleitpfad von den Statorwicklungen zu dem Aktivmaterial des Stators 12 und dem Statorgehäuse 32 bildet.
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Der Übersichtlichkeit halber sind hier nicht in allen, verschiedene Fertigungsschritte oder Zwischenzustände der Fertigung veranschaulichenden Teildarstellungen sämtliche Bauteile oder Komponenten jeweils individuell explizit gekennzeichnet. In unterschiedlichen Teildarstellungen gleich dargestellte Elemente entsprechen jedoch den in einer anderen Teildarstellung gekennzeichneten korrespondierenden Elementen.
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Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele, wie durch zusätzliche Fließkanäle ein effizienterer Vollverguss realisiert werden kann, um auf besonders einfache Weise eine schnellere Fertigung und eine bessere thermische und elektromagnetische bzw. elektromechanische Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine 10 zu ermöglichen, beispielsweise für einen Einsatz als Traktionsmaschine in einem Kraftfahrzeug.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Stator
- 14
- Statorjoch
- 16
- Statorzähne
- 18
- Statornuten
- 20
- Vergusskanäle
- 22
- Radiallinie
- 24
- Schweißnut
- 26
- Ablaufschema
- 28
- Vakuumkammer
- 30
- Wickelkopf
- 32
- Statorgehäuse
- 34
- Bodenplatte
- 36
- Abdeckstempel
- 38
- Vergussmasse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CH 350038 B [0003]
- DE 102014215148 A [0004]
- EP 3672029 A1 [0005]
