-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Spaltrohr, einen Stator für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung eines Statorbauteils.
-
Im elektrischen Antriebsstrang bei Hybrid-, Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeugen spielt der Elektromotor eine zentrale Rolle. Der Stator eines Elektromotors besteht üblicherweise aus vielen einzelnen Elektroblechen, welche aufeinandergestapelt und miteinander zu einem Blechpaket verbunden werden. In die Nuten dieses Blechpaketes werden Kupferwicklungen eingelegt, welche das Magnetfeld erzeugen. Die Anforderungen an dieses Blechpaket entstehen bei der Auslegung der Motoren, aber auch beim Design des Gehäuses, in das das Blechpaket schließlich eingebaut wird.
-
Für die Wicklungen im Stator des Elektromotors eines Elektrofahrzeugs sind verschiedene Wickeltechniken bekannt. Bei der Hairpin-Technologie werden Einzelstäbe in die Nuten des Stator-Blechpakets eingebracht. Diese werden anschließend verformt und an den Enden insbesondere durch Laserschweißen zu einer kontinuierlichen Wicklung verbunden, dem sogenannten Wickelkopf. Da hierzu vor allem kurze U- oder V- förmige Einzelsegmente verwendet werden, die an Haarnadeln erinnern, werden derartige Stabwicklungen auch als Haarnadelleiter (engl. haripin conductors) bezeichnet. Stabwicklungen haben den Vorteil, dass sie vollautomatisch produziert werden können. Die Stäbe haben üblicherweise einen rechteckigen Querschnitt und werden in entsprechend geformte Nuten eingebracht. Dabei muss eine ausreichende Isolation der Kupferleiter (Hairpins) gegenüber dem Stator-Blechpaket gewährleistet sein. Gegenüber der Verwendung von Einzeldrähten, wie sie üblicherweise für die Wicklungen von Spulen verwendet werden, ist eine höhere Füllung der Nuten mit Kupfer möglich, so dass sich höhere Maschinenleistungen auf kleinerem Bauraum erreichen lassen.
-
Da jedoch bei einer hohen Motorleistung auch eine hohe Verlustwärme auftritt, ist es erforderlich, die Wicklungen des Stators direkt zu kühlen, um zu verhindern, dass der Elektromotor beschädigt wird. Üblicherweise wird hierzu ein flüssiges Kühlmittel verwendet, das die Wicklungen umströmt. Hierzu können in den Stabsegmenten entsprechende Aussparungen für die Kühlmittelführung vorgesehen sein, oder das Stator-Blechpaket ist mit Rohrleitungen versehen. Zudem ist bei einer Wicklungs-direktkühlung durch ein flüssiges Kühlmittel ein Spaltrohr zur Trennung von Stator und Rotor erforderlich, um zu verhindern, dass Kühlmittel in den Rotor eintreten kann.
-
Durch den wachsenden Marktanteil der Elektromobilität in den letzten Jahren steigen allerdings die Herausforderungen, kostengünstige Elektromotoren mit hoher Effizienz und Qualität zu entwickeln. Insbesondere kann durch einen hocheffizienten Elektromotor eine größere Reichweite eines Elektrofahrzeugs erreicht werden. Zudem sind Veränderungen in den Produktionsprozessen von Elektromotoren erforderlich, um automatisierte und wertschöpfungsoptimierte Produktionsverfahren für einen immer größer werdenden Bedarf an Elektrofahrzeugen bereitzustellen. Darüber hinaus sind Umweltgesichtspunkte zu berücksichtigen, beispielsweise um die Recycelbarkeit der einzelnen Komponenten eines Elektromotors zu erhöhen.
-
Die
DE 10 2018 201 626 A1 beschreibt eine Baugruppe für einen Elektromotor einer Pumpe mit einem magnetisch leitfähigen hohlzylinderförmigen Sternkörper, der außenseitig mehrere radial nach außen ragende und sich axial erstreckende Zähne jeweils zum Aufnehmen einer Ringspule einer Wicklung aufweist. Am Sternkörper ist eine Isolationsstruktur aus einem magnetisch neutralen und elektrisch isolierenden Isolationsmaterial angeformt.
-
Die
DE 10 2008 019 608 A1 beschreibt einen Isolationsträger bestehend aus einem inneren zylinderförmigen Hohlkörper zur Aufnahme des Rotors eines Elektromotors. Er weist an seiner Außenseite eine umlaufende Nut zur Aufnahme von Spulenwicklungen auf.
-
Die
DE 10 2013 109 522 A1 beschreibt eine Pumpe mit einem Spaltrohrmotor, der einen Stator mit einem darin angeordneten Innenrotor aufweist, wobei der Stator und der Innenrotor flüssigkeitsdicht durch ein zwischen Stator und Innenrotor angeordnetes Spaltrohr voneinander getrennt sind. Das Spaltrohr ist mit konusförmigen Rippen versehen, die formschlüssig in den Stator eingreifen.
-
Die
WO 2019 238 365 A1 beschreibt einen Elektromotor mit einem Spaltrohr zwischen Stator und Rotor, wobei das Spaltrohr aus einem Ferritmaterial gebildet ist.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine elektrische Maschine mit einem Spaltrohr zu schaffen, die sich durch eine kompakte Bauweise auszeichnet sowie automatisiert und kostengünstig produziert werden kann.
-
Diese Aufgabe wird hinsichtlich einer elektrischen Maschine durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich eines Stators durch die Merkmale des Patentanspruchs 10, und hinsichtlich eines Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 12 erfindungsgemäß gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
-
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator umfassend ein Statorblechpaket. Der Rotor und der Stator sind durch ein Spaltrohr voneinander getrennt für die Kühlung des Stators mit einem flüssigen Kühlmittel. Die elektrische Maschine umfasst ein einstückig ausgebildetes Statorbauteil bestehend aus dem Statorblechpaket und einem daran angeformten Kunststoffwerkstück, wobei das Kunststoffwerkstück als das Spaltrohr ausbildet ist.
-
In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass das Kunststoffwerkstück aus einem magnetisch neutralen und elektrisch isolierenden Kunststoff, wobei sich hier insbesondere Epoxidharze aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit eignen und an das Statorblechpaket mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines Transferpressverfahrens angespritzt ist.
-
Vorteilhafterweise umgeben eine Mehrzahl von Isolationshülsen zur Aufnahme von Leiterstäben kranzförmig eine Außenfläche des Spaltrohrs.
-
Insbesondere umschließt die Isolationshülse eine Nut für die Aufnahme des Leiterstabs.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Isolationshülse zwei Seitenwandungen, die an ihren unteren Endkanten mit der Außenfläche des Spaltrohrs verbunden sind, und eine mit den oberen Endkanten der Seitenwandungen verbundene Außenwandung aufweist, die zusammen die Nut ausbilden.
-
Insbesondere sind in den Zwischenräumen zwischen den benachbarten Isolationshülsen Segmente des Statorblechpakets angeordnet.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist im oberen Endbereich und/oder im unteren Endbereich des Spaltrohrs eine Endscheibe vorgesehen.
-
Insbesondere ist die Endscheibe mit den Außenflächen der Isolationshülsen und/oder der Außenfläche des Spaltrohrs einstückig verbunden.
-
Vorteilhafterweise weist die Endscheibe Ausnehmungen und/oder Öffnungen für die Montage und Fixierung der Leiterbahnen auf.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem Statorblechpaket. Der Stator umfasst ein einstückig ausgebildetes Statorbauteil bestehend aus dem Statorblechpaket und einem daran angeformten Kunststoffwerkstück, wobei das Kunststoffwerkstück als das Spaltrohr ausbildet ist.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht das Kunststoffwerkstück aus einem magnetisch neutralen und elektrisch isolierenden Kunststoff und ist an das Statorblechteil mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines Transferpressverfahrens angespritzt.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Statorbauteils. Dabei wird ein Statorblechpaket von einem Kunststoff bestehend aus einem magnetisch neutralen und elektrisch isolierenden Kunststoff mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines Transferpressverfahrens in einem Werkzeug derart umspritzt, dass ein mit dem Statorblechpaket verbundenes Kunststoffwerkstück entsteht, wobei das Kunststoffwerkstück ein Spaltrohr und daran angeformte Isolationshülsen für Leiterbahnen ausbildet.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Dabei zeigt:
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Statorbauteils bestehend aus einem Blechpaket und einem Kunststoffwerkstück für eine elektrische Maschine;
- 2 eine schematische perspektivische Darstellung des Kunststoffwerkstücks bestehend aus einem Spaltrohr mit angeformten Isolationshülsen;
- 3 eine schematische Querschnittsdarstellung des Kunststoffwerkstücks aus 2;
- 4 eine schematische perspektivische Darstellung des Kunststoffwerkstücks aus 2 mit angeformten Endscheiben und Isolationshülsen.
-
Zusätzliche Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung oder ihrer Ausführungsbeispiele werden durch die ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen ersichtlich.
-
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Statorbauteils 100 für einen Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors. Das Statorbauteil 100 besteht aus einem Kunststoffwerkstück 10 und einem Statorblechpaket 15. Das Kunststoffwerkstück 10 umfasst ein Spaltrohr 20, Isolationshülsen 30 und eine obere Endscheibe 40 und/oder eine untere Endscheibe 42. Das Statorbauteil 100 ist eine Komponente eines Stators einer hier nicht näher dargestellten elektrischen Maschine, die den Stator und einen Rotor umfasst. Der Rotor ist in einem durch den Stator ausgebildeten Aufnahmeraum angeordnet. Die elektrische Maschine wird vorzugsweise als Traktionselektromotor bei einem Elektrofahrzeug eingesetzt.
-
Das Statorblechpaket 15 wird in ein Werkzeug eingelegt und dann mit Kunststoff mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines Transferpressverfahrens derart umspritzt, dass das Kunststoffwerkstück 10 entsteht. Das Statorbauteil 10 ist somit ein Verbundteil bestehend aus dem Statorblechpaket 15 und dem damit mittels Umspritzung fest verbundenen Kunststoffwerkstück 10. Das Kunststoffwerkstück 10 besteht aus einem magnetisch neutralen und elektrisch isolierenden Kunststoff, wie beispielsweise PA (Polyamid), PP (Polypropylen) und/oder PS (Polystyrol)
-
Wie in 2 dargestellt, weist das Kunststoffwerkstück 10 ein hohlzylindrisch ausgebildetes Spaltrohr 20 auf, das im montierten Zustand der elektrischen Maschine in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet ist und den Stator von dem Rotor trennt. Dies ist insbesondere bei einer Kühlung des Stators mittels eines flüssigen Kühlmittels erforderlich. An einer Außenfläche 22 des Spaltrohrs 20 sind Isolationshülsen 30 für die Aufnahme von insbesondere aus Kupfer bestehenden Leiterstäben (Hairpins) angeformt, die die Außenfläche 22 vorzugsweise kranzförmig umgeben und insbesondere jeweils radial nach außen gerichtet sind.
-
Wie in 3 dargestellt, umschließt eine Isolationshülse 30 eine Nut 32 mit einem vorzugsweise rechteckigen Querschnitt für die Aufnahme eines insbesondere ebenfalls im Querschnitt rechteckig ausgebildeten Leiterstabs und erstreckt sich parallel zur Längsachse des Spaltrohrs 20. Die Isolationshülsen 30 weisen jeweils zwei Seitenwandungen 34 auf, die an ihren unteren Endkanten mit der Außenfläche 22 des Spaltrohrs 20 verbunden sind, und eine mit den oberen Endkanten der Seitenwandungen 34 verbundene Außenwandung 36, die zusammen die Nut 32 ausbilden zum Einführen eines Leiterstabes. In den Nuten 32 können zudem Ausformungen für das Durchströmen eines Kühlungsmittels vorgesehen sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Leiterstäbe mit Ausformungen für ein Kühlmittel ausbildet sind. In den Zwischenräumen 38 zwischen den Isolationshülsen 30 sind die Segmente des hier nicht näher dargestellten Statorblechpakets 15 angeordnet.
-
In 4 ist das Kunststoffwerkstück 10 mit der oberen Endscheibe 40 und der unteren Endscheibe 42 dargestellt. Die obere Endscheibe 40 ist im oberen Endbereich des Spaltrohrs 20 und die untere Endscheibe 42 ist im unteren Endbereich des Spaltrohrs 20 angeordnet. Insbesondere sind die obere Endscheibe 40 und die untere Endscheibe 42 gleichartig ausgebildet, so dass das Statorbauteil 100 symmetrisch aufgebaut ist. Es ist aber auch denkbar, dass die Gestaltung der oberen Endscheibe 40 und der unteren Endscheibe 42 sich voneinander unterscheidet. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Kunststoffwerkstück 10 nur eine Endscheibe 40 aufweist.
-
Vorzugsweise sind die Endscheiben 40, 42 ringförmig ausgebildet und an der Außenfläche 22 des Spaltrohrs 20 bzw. den Außenflächen der Isolationshülsen 30 angeformt. Die Endscheiben 40, 42 weisen insbesondere Ausnehmungen 44 und/oder Öffnungen für die Montage und Fixierung der Leiterbahnen auf. Hierdurch kann das Verformen und Verschweißen der Leiterbahnen zu einem Wickelkopf bei der Montage der elektrischen Maschine vereinfacht werden, da die Endscheiben 40, 42 zur Fixierung der Leiterbahnen verwendet werden und damit dieser Verfahrensschritt automatisiert mit Hilfe von Robotern durchgeführt werden kann.
-
Durch das einstückig ausgebildete Statorbauteil 100 bestehend aus dem Statorblechpaket 15 und dem daran angeformten Kunststoffwerkstück 10 ist ein Verbundteil geschaffen, das sich durch eine hohe Reduzierung der benötigten Bauteile auszeichnet. Durch die Umspritzung des Statorblechpakets 15 mit Kunststoff kann auf die Verwendung einer Vielzahl von Materialien verzichtet werden, da beispielsweise Isolationspapierstreifen für die Nuten 32 nicht erforderlich sind. Die Leiterbahnen werden durch die Isolationshülsen 30 umfassend elektrisch von dem Statorblechpaket 15 getrennt, so dass weitere Materialien nicht erforderlich sind. Hierdurch wird der Herstellungsprozess des Stators vereinfacht, da weniger Komponenten montiert werden müssen. Zudem wird hierdurch die Recycelbarkeit erhöht.
-
Des Weiteren ist hierdurch ein geringes Gewicht aufgrund der geringeren Anzahl der Bauteile ermöglicht und es können kostengünstigere Grundmaterialien verwendet werden. Durch den festen Verbund des Statorblechpakets 15 mit dem Kunststoffwerkstück 10 ergibt sich zudem eine höhere Festigkeit des Statorbauteils 100. Hierdurch kann die Wandstärke des Spaltrohrs 20 verkleinert werden, und dies führt wiederum zu einer Verringerung des Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor. Ein kleinerer Luftspalt erhöht jedoch die Effizienz der elektrischen Maschine.
-
Insbesondere können durch das Ausfüllen von Kavitäten durch die Kunststoffumspritzung Fertigungstoleranzen der Segmente des Statorblechpakets 15 ausgeglichen werden, so dass die hergestellten Statorbauteile 100 sich durch einen hohen Normierungsgrad sowie eine hohe Oberflächengüte auszeichnen. Da insbesondere vorgesehen ist, dass das Statorbauteil 100 mit zwei Endscheiben 40, 42 versehen ist, die am oberen und unteren Endbereich des Spaltrohrs 20 angeordnet sind, kann die Montage der Leiterbahnen vereinfacht werden. Insgesamt kann somit die Anzahl der Verfahrensschritte reduziert werden, wodurch wiederum eine effizientere Produktion und somit eine Kostenersparnis erreicht werden kann. Dies führt insgesamt zu einer kostengünstigeren und umweltfreundlicheren Produktion eines Elektromotors.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102018201626 A1 [0006]
- DE 102008019608 A1 [0007]
- DE 102013109522 A1 [0008]
- WO 2019238365 A1 [0009]
