-
Die Erfindung betrifft einen gekühlten Stator sowie eine elektrische Maschine mit einem derartigen Stator, mit deren jeweiligen Hilfe ein Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann.
-
Aus
DE 29 24 037 A1 ist es bekannt einen Stator einer elektrischen Maschine mit Hilfe eines Kühlgases zu kühlen, das an einem aus einem Blechpaket des Stators heraus abstehenden ersten Wickelkopf eingeleitet, innerhalb einer für elektrische Leiter vorgesehenen Nut des Blechpakets an den elektrischen Leitern entlangströmt und an einem an der anderen Seite aus der Nut herausstehenden zweiten Wickelkopf abgeführt wird.
-
Aus
DE 10 2019 131 069 A1 ist es bekannt in einem Stator einer elektrischen Maschine zu elektrische Leiter aufnehmenden Statornuten zu den Statornuten beabstandete Kühlkanäle vorzusehen, die in axialer Richtung verlaufen und vor dem Erreichen von in einer Vergussmasse eingebetteten Wickelköpfen der elektrischen Leiter nach radial außen verlaufen.
-
Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Kühlung von elektrischen Maschinen zu verbessern, um für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge eine hohe Dauerleistungsdichte zu ermöglichen.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine gut gekühlte elektrische Maschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ermöglichen.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Stator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
-
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Statorkörper, wobei der Statorkörper in axialer Richtung verlaufende Statornuten aufweist, in den Statornuten aufgenommene Leiterwicklungen, wobei die Leiterwicklungen aus den Statornuten axial herausgeführte Wickelköpfe ausbilden, einem sich radial innen an dem Statorkörper anschließenden Spaltrohr, wobei das Spaltrohr in radialer Richtung betrachtet die Statornuten und die Wickelköpfe überdeckt, einem mit dem Statorkörper und dem Spaltrohr verbundenen Gehäuse zum fluiddichten Einhausen der Wickelköpfe in jeweils einem ersten Endvolumen und einem zu dem ersten Endvolumen über den Statorkörper axial beabstandeten zweiten Endvolumen, wobei der Statorkörper mit dem ersten Endvolumen und mit dem zweiten Endvolumen kommunizierende Kühlkanäle aufweist.
-
Ein für die Kühlkanäle vorgesehenes Kühlfluid kann auch in die Envolumina gelangen und dort die Wickelköpfe kühlen. Im Vergleich zu einer Kühlung der Wickelköpfe ausschließlich durch Wärmeleitung über das Material der in den Statornuten vorgesehenen Leiterwicklungen kann die Kühlung der Wickelköpfe verbessert werden. Ein thermischer Widerstand zwischen dem Kühlfluid und den Wickelköpfen kann minimiert werden. Zudem kann eine Kühlung des Kühlfluids über die gesamte Erstreckung des elektrischen Leiters mit einem vergleichsweise geringen thermischen Widerstand erfolgen, wodurch die Kühlleistung verbessert werden kann. Da das Kühlfluid nicht durch die Statornut an den Leiterwicklungen entlang geführt ist, sondern durch einen einem zur Statornut separaten Kühlkanal, kann der Strömungswiderstand für das Kühlfluid gering gehalten werden, so dass eine Förderleistung eines Förderorgans, insbesondere einer Pumpe, gering gehalten werden kann. Das Spaltrohr übernimmt nicht nur die Funktion die Statornuten radial innen zu verschließen, sondern auch die Endvolumina zum Rotor hin abzudichten. Das Gehäuse braucht dadurch nicht eine radial innere Begrenzungswand auszubilden, da diese durch das Spaltrohr ausgebildet werden kann. Das Gehäuse kann dadurch einfacher aufgebaut sein und kostengünstig hergestellt werden. Durch die mit Hilfe des Spaltrohrs begrenzten Endvolumia kann das über die Kühlkanäle geführte Kühlfluid auch die Wickelköpfe mit eine hohen Wärmeübertragungsleistung kühlen, so dass eine gut gekühlte elektrische Maschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ermöglicht ist.
-
Der Statorkörper kann aus einem Blechpaket herstellt sein, bei dem mehrere, insbesondere durch Stanzen aus einem Metallblech hergestellte, Bleche in axialer Richtung hintereinander angeordnet und, vorzugsweise fluiddicht, aneinander angepresst sind. Insbesondere kann der Statorkörper kostengünstig durch Stanzpaketieren hergestellt werden.
-
Das Spaltrohr ist beispielsweise als, vorzugsweise faserverstärktes, Kunststoffrohr hergestellt. Das Spaltrohr kann aber auch aus einem mit dem Statorkörper befestigten elastischen und/oder flexiblen Material hergestellt sein. Beispielsweise ist das Spaltrohr als eine radial innere Auskleidung („Liner“) des Stators ausgestaltet sein. Zwischen dem Spaltrohr und einem radial innerhalb des Stators elektromagnetisch antreibbaren Rotor kann insbesondere eine Spielpassung ausgebildet sein.
-
Die Statornuten können insbesondere nach radial innen geöffnet ausgestaltet sein, so dass die Leiterwicklungen leichter in die Statornuten eingesetzt werden können. Ein nach radial innen weisender Öffnungsschlitz der Statornut kann durch das Spaltrohr abgedeckt und insbesondere abgedichtet sein. Die Statornuten weisen vorzugsweise einen im Wesentlichen rechteckigen Öffnungsquerschnitt in axialer Richtung auf, durch den die Leiterwicklungen in axialer Richtung hindurchgeführt sind. Besonders bevorzugt ist die jeweilige Statornut in einen Statorzahn des Statorkörpers vorgesehen. Der Statorzahn kann von einem in Umfangsrichtung geschlossenen Ring des Statorkörpers nach radial innen abstehen. Vorzugsweise weist der Statorzahn einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt in axialer Richtung auf, so dass sich zusammen mit der in axialer Richtung im Wesentlichen rechteckig verlaufenden Statornut über einen Großteil der radialen Erstreckung des Statorzahns in tangentialer Richtung eine im Wesentlichen konstante Wandstärke ergibt.
-
Insbesondere ist die Wandstärke in beiden Tangentialrichtungen im Wesentlichen gleich groß.
-
Die Kühlkanäle können in einem Volumen in Umfangsrichtung zwischen den Statornuten, insbesondere zwischen den Statorzähnen, vorgesehen sein. Das durch die Kühlkanäle strömende Kühlfluid kann über die Wandstärke der Statorzähne beabstandet zu den Leiterwicklungen verlaufen. Das Material des Statorkörpers kann einen thermischen Kontakt zwischen dem Kühlfluid und den in der jeweiligen Statornut vorgesehenen Leiterwicklungen durch Wärmeleitung herstellen. Die Kühlkanäle und insbesondere auch die Endvolumina können insbesondere Teil eines Kühlkreislaufs sein, in dem ein insbesondere flüssiges Kühlfluid in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird. Der Kühlkreislauf kann insbesondere ein Förderorgan und/oder einen Kühlfluidkühler, beispielsweise ein luftgekühlter Kühler und/oder Wärmetauscher, ein Verdampfer, ein Expansionsventil oder ähnliches, aufweisen. Das Kühlfluid kann beispielsweise eine Wasser/Glykol-Mischung, ein Öl, ein, vorzugsweise organisches, Kältemittel sein.
-
Die Wickelköpfe können sich ergeben, wenn die Leiterwicklungen in dem jeweiligen Endvolumen aus der einen Statornut herausgeführt werden und in eine andere Statornut eingeführt werden. Im Bereich des Wickelköpfes kann die jeweilige Leiterwicklung beziehungsweise ein Bündel an Leiterwicklungen entsprechend einer definierten Geometrie über geeignete Biegungen und/oder Abwinkelungen in axialer Richtung eine Wendung um im Wesentlichen 180° erfahren und in Umfangsrichtung sowie gegebenenfalls zusätzlich in radialer Richtung einen Versatz erfahren.
-
Die Leiterwicklungen weisen stromdurchflossene Leiter auf, die geeignet gewickelt sind, um einen Elektromagneten zum elektromagnetischen Antrieb eines mit dem Stator zusammenwirkenden Rotors auszubilden. Der Rotor kann insbesondere Permanentmagneten aufweisen, die mit dem elektrisch im Stator erzeugten magnetischen Feld wechselwirken können.
-
Das Gehäuse kann einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist das Gehäuse aus einem umgeformten Blech kostengünstig hergestellt. In einer Ausführungsform kann das Gehäuse den Statorkörper radial außen zumindest in Umfangsrichtung teilweise Umgreifen, so dass sich in radialer Richtung zwischen einer radial äußeren Mantelfläche des Statorkörpers und einer radial inneren Innenseite des Gehäuses ein weiterer die beiden Endvolumina miteinander verbindender Kühlkanal ergeben kann.
-
Insbesondere weist das Gehäuse ein mit dem ersten Endvolumen kommunizierenden Einlass zur Zufuhr eines Kühlfluids und ein mit dem zweiten Endvolumen kommunizierenden Auslass zur Abfuhr des Kühlfluids auf. Dadurch können die Kühlkanäle über die Endvolumina an einen vorzugsweise geschlossenen Kühlkreislauf angeschlossen werden. Der Einlass und der Auslas können insbesondere möglichst nach an dem jeweiligen stirnseitigen Ende des Gehäuses vorgesehen sein, so dass sich von dem Einlass zu dem Auslass ein Strömungspfad für das Kühlfluid ergibt, der sich im Wesentlichen über nahezu die gesamte axiale Erstreckung der Leiterwicklungen und deren Wickelköpfe erstreckt. Die Kühlleistung kann dadurch maximiert werden.
-
Vorzugsweise verläuft der jeweilige Kühlkanal zu den Statornuten in Umfangsrichtung beabstandet. Ein Umströmen der Leiterwicklungen innerhalb der Statornuten ist dadurch nicht vorgesehen, so dass ein geringer Strömungswiderstand für das Kühlfluid erreicht werden kann. Das Kühlfluid kann dadurch entsprechend schneller abgeführt werden, so dass sich das Kühlfluid entsprechend geringer erwärmt und über den gesamten Strömungspfad eine vergleichsweise hohe Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Leiterwicklungen und der Wickelköpfe einerseits und der Temperatur des die entstehende Wärme abführenden Kühlfluids andererseits aufrechterhalten. Ein Wärmeleitwiderstand des die Statornuten begrenzenden Materials des Statorkörpers kann ausreichend gering sein um eine gute Kühlleistung erreichen zu können.
-
Besonders bevorzugt ist der von dem Statorkörper begrenzte Kühlkanal nach radial innen geöffnet und durch das Spaltrohr radial innen abgedichtet. Der jeweilige Kühlkanal kann dadurch nach radial innen geöffnet ausgeführt sein, wodurch die Herstellung und die Montage des Statorkörpers vereinfacht ist. Das Spaltrohr dichtet dadurch nicht nur die Endvolumina, sondern auch die zwischen den Endvolumina verlaufenden Kühlkanäle ab. Hierzu kann das Spaltrohr beispielsweise mit der radialen Innenseite des Statorkörpers fluiddicht befestigt, beispielsweise verklebt, sein.
-
Insbesondere weist der mindestens eine Kühlkanal einen dreieckigen und/oder trapezförmigen Strömungsquerschnitt auf. Der Strömungsquerschnitt des mindestens einen Kühlkanals kann beispielsweise wie in
DE 10 2019 131 069 A1 beschrieben aus- und weitergebildet sein, auf dessen Inhalt hiermit als Teil der Erfindung Bezug genommen wird. Hierbei ist es möglich, dass in einem Umfangswinkelbereich zwischen zwei Statornuten nur genau ein Kühlkanal vorgesehen ist, so dass sich ein entsprechend großer Strömungsquerschnitt ergibt. Es ist aber auch möglich, dass in einem Umfangswinkelbereich zwischen zwei Statornuten zwei oder mehr Kühlkanäle vorgesehen sind, die in radialer Richtung hintereinander ausgebildet sind.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Gehäuse ein fluiddicht mit dem Statorkörper verbundenes erstes Teilgehäuse zur Begrenzung des ersten Endvolumens und ein zu dem ersten Teilgehäuse über den Statorkörper beabstandetes und fluiddicht mit dem Statorkörper verbundenes zweites Teilgehäuse zur Begrenzung des zweiten Endvolumens aufweist. Das Gehäuse kann dadurch durch zwei an dem Statorkörper und dem Spaltrohr angesetzte Teilgehäuse ausgestaltet sein, die das jeweils ringförmige Endvolumen mit einem winkeligen Querschnitt in Umfangsrichtung begrenzen. Der Materialeinsatz und die Herstellungskosten können dadurch gering gehalten werden.
-
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Statorköpfe zum unmittelbaren Kontakt mit dem Kühlfluid frei zugänglich in dem ersten Endvolumen und in dem zweiten Endvolumen abstehen. Die Statorköpfe können dadurch direkt von dem Kühlfluid umspült werden. Für einen guten Wärmeübergang ist es nicht erforderlich die Statorköpfe in einer Vergussmasse einzubetten, so dass die anderenfalls vorgesehene Vergussmasse eingespart werden kann. Insbesondere ist zwischen einer elektrisch leitfähigen Ader der Leiterwicklung und des Wickelkopf einerseits und dem Kühlfluid andererseits ausschließlich eine Kabelisolierung vorgesehen. Der thermische Widerstand zwischen der elektrisch leitfähigen Ader und dem Kühlfluid kann dadurch minimiert werden ohne einen elektrischen Kurzschluss zu riskieren.
-
Insbesondere ist ein Strömungsquerschnitt des Kühlkanals größer als ein zwischen den Leiterwicklungen und dem Statorkörper in der zugehörigen Statornut verbleibenden Restquerschnitt. Im Vergleich zu einem Strömungspfad des Kühlfluids durch den in der Statornut verbleibenden Restquerschnitt ist der Strömungswiderstand in dem zur Statornut separat ausgeführten Kühlkanal deutlich geringer.
-
Vorzugsweise sind die Leiterwicklungen in den Statornuten durch eine Vergussmasse zum zumindest teilweisen Ausfüllen der Statornuten umgossen. Durch die Vergussmasse kann der thermische Kontakt der Leiterwicklungen mit dem Material des Statorkörpers verbessert werden, wodurch eine bessere Wärmeabfuhr über die separaten Kühlkanäle erreicht werden kann. Zudem kann die Vergussmasse eine gute mechanische Anbindung der Leiterwicklungen in der Statornut erreichen, so dass ein geräuschbehaftetes Vibrieren der Leiterwicklungen in der Statornur vermieden werden kann und/oder ein Herausfallen der Leiterwicklungen aus der Statornut blockiert werden kann. Die Vergussmasse kann insbesondere aus einem, vorzugsweise thermoplastischen, Kunststoffmaterial hergestellt sein.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zum Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Stator, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, und einem elektromagnetisch mit dem Stator zusammenwirkenden trocken laufenden Rotor.
-
Das Spaltrohr kann den Rotor gegenüber dem Kühlfluid abdichten, so dass der Rotor nicht von dem Kühlfluid benetzt werden kann. Eine Flüssigkeitsreibung mit dem Kühlfluid kann durch den trocken laufenden Rotor vermieden werden. Zwischen dem Spaltrohr und dem Rotor kann ein Luftspalt ausgebildet werden, so dass der relativ zum Stator drehbare Rotor nicht an dem Spaltrohr reibt. Der Rotor kann insbesondere an einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs ankoppelbar sein, so dass das Kraftfahrzeug rein elektrisch mit Hilfe der elektrischen Maschine angetrieben werden kann. Die elektrische Maschine ist insbesondere als permanenterregte Synchronmaschine ausgestaltet. Durch die mit Hilfe des Spaltrohrs begrenzten Endvolumia des Stators kann das über die Kühlkanäle geführte Kühlfluid auch die Wickelköpfe mit eine hohen Wärmeübertragungsleistung kühlen, so dass eine gut gekühlte elektrische Maschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ermöglicht ist.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1 eine schematische entlang einer Axialebene geschnittene Schnittansicht einer elektrischen Maschine und
- 2 eine schematische entlang einer Radialebene geschnittene Schnittansicht eines Details eines Stators der elektrischen Maschine aus 1.
-
Die in 1 dargestellte elektrische Maschine 10 kann zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Hierzu kann die elektrische Maschine 10 im Motorbetrieb aus einer Kraftfahrzeugbatterie gespeist werden, die mit Leiterwicklungen 12 verbunden sind, um in einem Stator 14 ein elektrisch erzeugtes Magnetfeld zu erzeugen, das mit Permanentmagneten 16 eines trocken laufenden Rotors 18 zusammenwirken kann. Der Stator 14 weist einen Statorkörper 20 auf, an dessen Stirnseiten Wickelköpfe 22 der Leiterwicklungen 12 in ein erstes Endvolumen 24 und ein zweites Endvolumen 26 abstehen. Das erste Endvolumen 24 und das zweite Endvolumen 26 sind durch jeweils eine Stirnseite des Statorkörpers 20, einem radial innen mit dem Statorkörper 20 verbundenen Spaltrohr 28 und einem Gehäuse 30 begrenzt, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel das Gehäuse 30 ein nur das erste Endvolumen 24 begrenzendes erstes Teilgehäuse 32 und ein über den Statorkörper 20 beanstandetes und nur das zweite Endvolumen 26 begrenzendes zweites Teilgehäuse 34 aufweist. Das erste Teilgehäuse 32 weist einen mit dem ersten Endvolumen 24 kommunizierenden Einlass 36 zur Zufuhr eines Kühlfluids auf, während das zweite Teilgehäuse 34 einen mit dem zweiten Endvolumen 26 kommunizierenden Auslass 38 zur Abfuhr des Kühlfluids aufweist.
-
Wie in 2 dargestellt ist, weist der Statorkörper 20 nach radial innen geöffnete Statornuten 40 auf in denen die vorzugsweise mit einer Vergussmasse vergossenen Leiterwicklungen 12 aufgenommen sind. Die Statornuten 40 können radial innen durch das Spaltrohr 28 fluiddicht verschlossen sein. In Umfangsrichtung zwischen zwei einander nachfolgenden Statorzähnen 42, in denen die Statornuten 40 ausgebildet sind, ist mindestens ein zu den Statornuten 40 separater Kühlkanal 44 ausgebildet, der jeweils das erste Endvolumen 24 mit dem zweiten Endvolumen 26 verbindet. Der Kühlkanal 44 kann einen dreieckigen und/oder trapezförmigen Strömungsquerschnitt aufweisen, so dass die Statorzähne 42 und die Statornuten 40 im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet sein können. Wenn der Kühlkanal 44 nach radial innen geöffnet ausgestaltet sein sollte, kann der Kühlkanal 44 radial innen durch das Spaltrohr 28 fluiddicht abgedichtet sein.
-
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 2924037 A1 [0002]
- DE 102019131069 A1 [0003, 0020]
