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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere als Antriebsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
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Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge sind im Stand der Technik bekannt. Sie weisen elektrische Maschinen auf, welche für den Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Diese elektrischen Maschinen weisen typischerweise einen Rotor und einen Stator auf, welche im Betrieb der elektrischen Maschine aufgrund des Stromflusses durch die stromdurchflossenen Leiter der elektrischen Maschine und aufgrund von Wirbelstromverlusten und anderen Verlusten eine thermische Beaufschlagung erfahren, so dass eine Kühlung der elektrischen Maschine notwendig wird.
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Die
DE 10 2016 101 705 A1 offenbart eine elektrische Maschine, bei welche die Wickelköpfe des Stators jeweils unabhängig voneinander mit einem Kühlfluid versorgt werden, so dass an beiden axialen Endbereichen des Stators ein Kühlmittelzufluss und ein Kühlfluidabfluss vorgesehen sind, um die beiden Wickelköpfe des Stators jeweils mit einem Kühlmittel zur Kühlung versorgen zu können.
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Die
DE 10 2019 117 893 A1 offenbart eine elektrische Maschine, bei welcher der Stator an einem axialen Ende über einen Kühlmittelzufluss mit einem Kühlmittel versorgt wird, der Stator in axialer Richtung über den Umfang verteilt zu dessen Kühlung von dem Kühlmittel durchströmt wird, wobei an dem anderen axialen Ende das Kühlmittel über einen Kühlmittelabfluss wieder austritt, wobei der Kühlmittelabfluss auf der gegenüberliegenden Umfangsseite in Bezug auf den Kühlmittelzufluss angeordnet ist.
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Solche elektrischen Maschinen mit Statorkühlung mittels Kühlmittel haben den Nachteil, dass das Kühlmittel den Stator in axialer Richtung von einer ersten Axialseite zur gegenüberliegenden zweiten Axialseite durchströmt und dabei von einer ersten Umfangsseite auf der ersten Axialseite, an welcher das Kühlmittel einströmt, zu der gegenüberliegenden zweiten Umfangsseite auf der zweiten Axialseite strömt, wo es ausströmt. Dadurch entsteht im Bereich des Wickelkopfs auf der zweiten Axialseite im Bereich der ersten Umfangsseite ein Kühlmittelstrom mit nur geringer Strömungsgeschwindigkeit, was die Kühlung in diesem lokalen Bereich schwächt, so dass dort die Temperatur des Stators über den sonstigen Temperaturen des Stators liegt, so dass dort die maximal zulässige Temperatur des Stators schnell erreicht und auch überschritten werden könnte, was entweder die Leistung der elektrischen Maschine reduzieren würde, weil Abregelvorgänge eingeleitet werden müssten oder den Stator schädigen könnte, wenn zu lange zu hohe Temperaturen in diesem Bereich vorliegen würden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine zu schaffen, welche eine verbesserte Kühlung aufweist, so dass die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine und insbesondere die Dauerleistung der elektrischen Maschine erhöht ist und Schädigungen aufgrund zu hoher lokaler Temperaturen vermieden werden können.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere als eine Antriebsmaschine eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, mit einem Rotor und mit einem Stator, wobei der Stator einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Raumbereich einnimmt und einen Statorkern mit einer Statorwicklung aufweist, wobei der Stator Fluidkanäle aufweist, welche sich im Stator in axialer Richtung erstrecken von einer ersten Axialseite zu einer gegenüber liegenden zweiten Axialseite, wobei an der ersten Axialseite ein Fluidverteilraum vorgesehen ist mit einem Kühlmittelzufluss, wobei der Kühlmittelzufluss mit dem Fluidverteilraum und der Fluidverteilraum mit den Fluidkanälen zur Verteilung eines einströmenden Kühlmittels auf die Fluidkanäle kommuniziert, und wobei an der zweiten Axialseite ein Fluidsammelraum vorgesehen ist mit einem Kühlmittelabfluss, wobei der Fluidsammelraum mit dem Kühlmittelabfluss kommuniziert und der Fluidsammelraum das von den Fluidkanälen ankommende Kühlmittel sammelt und zum Kühlmittelabfluss leitet, wobei der Kühlmittelzufluss auf der ersten Axialseite an einer ersten Umfangsseite angeordnet ist und der Kühlmittelabfluss auf der zweiten Axialseite an einer zweiten Umfangsseite angeordnet ist, wobei ein Bypasskanal vorgesehen ist, welcher von dem Kühlmittelzufluss hin zu einem Fluideinlass in den Fluidsammelraum führt, wobei der Fluideinlass auf der zweiten Axialseite an der ersten Umfangsseite angeordnet ist. Dadurch wird das Kühlmittel durch den Bypasskanal zusätzlich in den Bereich des Stators geleitet, der aufgrund der Geometrie der Durchströmung des Hauptkühlmittelstroms benachteiligt gekühlt wird, so dass auch in diesem Bereich eine ausreichende und verbesserte Kühlung vorliegt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist es auch vorteilhaft, wenn der Stator ein Statorgehäuse aufweist, welcher den Stator nach außen begrenzt, wobei der Bypasskanal entlang des Statorgehäuses in axialer Richtung von der ersten Axialseite zur zweiten Axialseite verläuft. Dadurch kann eine stabile und dauerhaft sichere Anordnung des Bypasskanals erfolgen, damit er auch bei den rauen Bedingungen in einem Kraftfahrzeug dauerhaft betriebssicher den Anforderungen genügt.
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Auch ist es bei einem weiteren Ausführungsbeispiel vorteilhaft, wenn der Bypasskanal in das Statorgehäuse integriert ausgebildet ist oder mit dem Statorgehäuse verbunden ist. Damit wird eine dauerhaft sichere Anordnung des Bypasskanals erreicht. Bei der integrierten Ausgestaltung kann weiterhin der Vorteil erreicht werden, dass eine vereinfachte und kostengünstige Herstellung erreicht wird.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Bypasskanal als Rohrleitung ausgebildet ist, die außerhalb des Statorgehäuses verläuft. Damit kann eine Lösung gefunden werden, wenn der Bypasskanal nur in einer Teilmenge des Statorgehäuses benötigt wird, weil die bei manchen gedrosselten elektrischen Maschinen die Leistungsanforderungen nicht immer sehr hoch sind, so dass eine Lösung gefunden werden kann, die für eine kleinere Anzahl von elektrischen Maschinen kostengünstig und zweckmäßig herstellbar ist.
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Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Rohrleitung mit dem Statorgehäuse verbunden ist, insbesondere verlötet, geschweißt oder geklebt ist. Damit lässt sich sehr einfach eine sichere und dauerhafte Verbindung erreichen.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch zweckmäßig, wenn der Bypasskanal als Fluidkanal in die Wand des Statorgehäuses einteilig integriert ist, insbesondere durch Gießen, Spritzgießen oder durch mechanische Bearbeitung, wie beispielsweise mittels Bohren. So kann ein Bypasskanal bei der Herstellung des Statorgehäuses unmittelbar mit integriert werden, was die Herstellung erleichtert.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist es besonders vorteilhaft, wenn der Kühlmittelzufluss und der Bypasskanal derart dimensioniert sind, dass der Kühlmittelvolumenstrom durch den Bypasskanal maximal 1/3 des dem Stator zugeführten Kühlmittelvolumenstroms entspricht und der durch den Kühlmittelzufluss zugeführte Kühlmittelvolumenstrom mindestens 2/3 des dem Stator zugeführten Kühlmittelvolumenstroms entspricht. Damit wird erreicht, dass der hauptsächliche Volumenstrom durch das gesamte Statorgehäuse strömt und dieses im Wesentlichen ganzheitlich kühlt und nur ein geringer Teil des gesamten Volumenstroms des Kühlmittels für den gefährdeten Bereich zusätzlich verwendet wird, um diesen zusätzlich mit Kühlmittel zu versorgen und um dort eine sichere Kühlung zu bewirken.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch zweckmäßig, wenn die zweite Umfangsseite der ersten Umfangsseite im Wesentlichen gegenüber liegt, also im Wesentlichen in einem Winkel von 180° bezüglich der Symmetrieachse des Stators oder der Drehachse des Rotors angeordnet ist. Damit wird erreicht, dass im Grunde die gesamte zweite Axialseite von frischem und kaltem Kühlmittel zusätzlich durchströmt wird.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der über den Bypasskanal transportierte Kühlmittelvolumenstrom an mehreren Stellen über den Umfang der zweiten Axialseite verteilt zugeführt, so dass zielgerichtet der Bildung von lokalen Bereichen mit hoher Temperatur, sogenannter Hotspots, entgegengewirkt werden kann. Der Bypasskanal weist entsprechend über den Umfang verteilte Auslässe auf, um das Fluid durch den Bypasskanal über den Umfang verteilen zu können.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Stator auf der ersten Axialseite und/oder auf der zweiten Axialseite einen Wickelkopf der Statorwicklung aufweist. Damit wird erreicht, dass der Stator effektiv herstellbar ist.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn ein Wickelkopf der Statorwicklung in dem Fluidverteilraum angeordnet ist oder in einem Raum angeordnet ist, welcher mit dem Fluidverteilraum fluidverbunden ist und/oder ein Wickelkopf der Statorwicklung in dem Fluidsammelraum angeordnet ist oder in einem Raum angeordnet ist, welcher mit dem Fluidsammelraum fluidverbunden ist. Damit kann eine effektive Kühlung des Wickelkopfes oder der Wickelköpfe erfolgen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine mit einem Schnitt entlang der Rotorachse, und
- 2 eine Schnittdarstellung der elektrischen Maschine des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gemäß 1 mit einem Schnitt senkrecht zur Rotorachse.
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Die 1 und 2 zeigen in verschiedenen schematischen Schnittdarstellungen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 ist insbesondere eine elektrische Maschine 1, die als eine Antriebsmaschine eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs eingesetzt ist. Eine solche elektrische Maschine 1 kann also in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, beispielsweise als alleinige elektrische Maschine 1 zum Antrieb von Rädern einer Achse des Kraftfahrzeugs oder aller Räder des Kraftfahrzeugs. Die elektrische Maschine 1 kann beispielsweise auch mit einer weiteren elektrischen Maschine 1 eingesetzt werden, so dass beispielsweise jeweils eine elektrische Maschine 1 vorgesehen ist zum Antrieb von Rädern einer zugeordneten Achse des Kraftfahrzeugs.
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Die elektrische Maschine 1 weist einen Rotor 2 und einen Stator 3 auf. Der Rotor 2 ist dabei um die Achse x-x verdrehbar angeordnet, wobei der Stator 3 in Bezug auf ein Motorgehäuse feststehend angeordnet ist.
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Der Stator 3 ist dabei beispielsweise derart im Wesentlichen hohlzylinderförmig mit einer Außenwandung als Statorgehäuse 4 ausgebildet, dass er einen im Wesentlichen zylinderförmigen Raumbereich 5 umgibt, in welchem der Rotor 2 verdrehbar angeordnet ist. Der Stator 3 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet bzw. nimmt einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Raumbereich 5 ein.
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Der Rotor 2 weist eine Rotorwelle 6 auf, welche um die Achse x-x verdrehbar gelagert angeordnet ist.
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Der Stator 3 weist einen Statorkern 7 mit einer Statorwicklung 8 auf.
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Der Stator weist Fluidkanäle 9 auf, welche sich im Stator 3 in axialer Richtung erstrecken von einer ersten Axialseite 10 zu einer gegenüber liegenden zweiten Axialseite 11.
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An der ersten Axialseite 10 ist ein Fluidverteilraum 12 vorgesehen mit einem Kühlmittelzufluss 13, wobei der Kühlmittelzufluss 13 mit dem Fluidverteilraum 12 kommuniziert und der Fluidverteilraum 12 mit den Fluidkanälen 9 kommuniziert zur Verteilung eines am Kühlmittelzufluss 13 einströmenden Kühlmittels auf die Fluidkanäle 9.
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An der zweiten Axialseite 11 ist ein Fluidsammelraum 14 vorgesehen mit einem Kühlmittelabfluss 15. Der Fluidsammelraum 14 kommuniziert mit dem Kühlmittelabfluss 15 und der Fluidsammelraum 14 sammelt das von den Fluidkanälen 9 ankommende Kühlmittel und leitet das Kühlmittel zum Kühlmittelabfluss 15.
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Die Fluidkanäle 9 erstrecken sich im Wesentlichen in axialer Richtung in dem Stator 3, wobei eine Vielzahl von Fluidkanälen 9 über den Umfang des Stators 3 verteilt angeordnet sind. Die Fluidkanäle 9 stehen dabei auf der ersten Axialseite 10 mit dem Fluidverteilraum 12 in Verbindung, welcher eine Erstreckung im Wesentlichen in radialer Richtung und in Umfangsrichtung aufweist, um das vom Kühlmittelzufluss 13 einströmende Kühlmittel auf die Fluidkanäle 9 zu verteilen. Die Fluidkanäle 9 stehen dabei auf der zweiten Axialseite 11 mit dem Fluidsammelraum 14 in Verbindung, welcher eine Erstreckung im Wesentlichen in radialer Richtung und in Umfangsrichtung aufweist, um das von den Fluidkanälen 9 kommende Kühlmittel zu sammeln und zum Kühlmittelabfluss 15 zu leiten.
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Der Kühlm ittelzufluss 13 ist auf der ersten Axialseite 10 an einer ersten Umfangsseite 16 angeordnet, wobei der Kühlmittelabfluss 15 auf der zweiten Axialseite 11 an einer zweiten Umfangsseite 17 angeordnet ist. Dadurch ergeben sich Ungleichförmigkeiten in der Durchströmung der Fluidkanäle 9, des Fluidverteilraums 12 und des Fluidsammelraums 14.
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Daher ist gemäß der Erfindung ein Bypasskanal 18 vorgesehen, welcher von dem Kühlmittelzufluss 13 hin zu einem Fluideinlass 19 in den Fluidsammelraum 14 führt, wobei der Fluideinlass 19 auf der zweiten Axialseite 11 an der ersten Umfangsseite 16 angeordnet ist.
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Der Stator 3 weist ein Statorgehäuse 4 auf, welches den Stator 3 nach außen begrenzt. Der Bypasskanal 18 verläuft beispielhaft entlang des Statorgehäuses 4 in axialer Richtung von der ersten Axialseite 10 zur zweiten Axialseite 11.
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Dabei kann der Bypasskanal 18 in das Statorgehäuse 4 integriert ausgebildet sein oder mit dem Statorgehäuse 4 verbunden sein.
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So kann der Bypasskanal 18 beispielsweise als Rohrleitung ausgebildet sein, die außerhalb des Statorgehäuses 18 verläuft.
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Dabei kann die Rohrleitung beispielsweise mit dem Statorgehäuse 4 verbunden sein, insbesondere verlötet, geschweißt oder geklebt sein.
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Alternativ kann der Bypasskanal 18 auch als Fluidkanal in die Wand 20 des Statorgehäuses 4 einteilig integriert sein, insbesondere durch Gießen, Spritzgießen oder durch mechanische Bearbeitung, wie beispielsweise mittels Bohren.
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Zur Erreichung einer zielführenden Kühlung des Stators 3 ist es zweckmäßig, wenn der Kühlmittelzufluss 13 und der Bypasskanal 18 derart dimensioniert sind, dass der Kühlmittelvolumenstrom durch den Bypasskanal 18 maximal 1/3 des dem Stator 3 zugeführten Kühlmittelvolumenstroms entspricht und der durch den Kühlmittelzufluss 13 zugeführte Kühlmittelvolumenstrom mindestens 2/3 des dem Stator 3 zugeführten Kühlmittelvolumenstroms entspricht.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass die zweite Umfangsseite 17 der ersten Umfangsseite 16 im Wesentlichen gegenüber liegt, also im Wesentlichen in einem Winkel von 180° bezüglich der Symmetrieachse x-x des Stators 3 oder der Drehachse x-x des Rotors 2 angeordnet ist.
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Gemäß eines weiteren Gedankens weist der Stator 3 auf der ersten Axialseite 10 und/oder auf der zweiten Axialseite 11 einen Wickelkopf 21 der Statorwicklung auf. Dabei kann ein Wickelkopf 21 der Statorwicklung in dem Fluidverteilraum 12 angeordnet sein oder in einem Raum angeordnet sein, welcher mit dem Fluidverteilraum 12 fluidverbunden ist und/oder ein Wickelkopf 21 der Statorwicklung in dem Fluidsammelraum 14 angeordnet sein oder in einem Raum angeordnet sein, welcher mit dem Fluidsammelraum 14 fluidverbunden ist. Dadurch wird eine besonders gute Kühlung des jeweiligen Wickelkopfs 21 erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Statorgehäuse
- 5
- Raumbereich
- 6
- Rotorwelle
- 7
- Statorkern
- 8
- Statorwicklung
- 9
- Fluidkanal
- 10
- erste Axialseite
- 11
- zweite Axialseite
- 12
- Fluidverteilraum
- 13
- Kühlmittelzufluss
- 14
- Fluidsammelraum
- 15
- Kühlmittelabfluss
- 16
- erste Umfangsseite
- 17
- zweite Umfangsseite
- 18
- Bypasskanal
- 19
- Fluideinlass
- 20
- Wand
- 21
- Wickelkopf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016101705 A1 [0003, 0004]
- DE 102019117893 A1 [0003, 0005]
