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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren, als Innenläufer ausgebildeten Rotor, wobei der Stator eine Mehrzahl von Statorzähnen aufweist, welche zwischen ihren freien Enden und dem Rotor einen Luftspalt definieren und in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Statorzähnen jeweils eine sich in radialer Richtung erstreckende Statornut ausgebildet ist, in welche eine bestrombare Statorwicklung eingelegt ist, und die Statornuten zum Rotor hin gerichtete Nutöffnungen besitzen.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegel-raddifferenzial oder Stirnraddifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
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Bei der Entwicklung der für E-Achsen oder Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der elektrischen Maschinen wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.
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Die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung sind beispielsweise aus dem Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen mittels Hydraulikflüssigkeiten bekannt. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der äußeren Oberfläche des Statorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang direkt an den Leitern außerhalb des Statorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid .
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Weitere Verbesserungen bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators (siehe z. B.
EP3157138 A1 ) als auch in die Nut zusätzlich zu den Leitern eingebracht werden (siehe z. B. Markus Schiefer: Indirekte Wicklungskühlung von hochausgenutzten permanenterregten Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017).
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Es sind auch Konzepte bekannt, bei denen die Wicklungen direkt mit Hydraulikflüssigkeit umströmt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Hydraulikflüssigkeit und Leiter in der Nut ist bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise
DE102015013018 A1 eine Lösung für elektrische Maschinen mit Einzelzahnwicklung, wobei das Fluid direkt die Wicklungen, welche um die Zähne gewickelt sind, umströmt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit einer verbesserten Kühlung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrische Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren, als Innenläufer ausgebildeten Rotor, wobei der Stator eine Mehrzahl von Statorzähnen aufweist, welche zwischen ihren freien Enden und dem Rotor einen Luftspalt definieren und in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Statorzähnen jeweils eine sich in radialer Richtung erstreckende Statornut ausgebildet ist, in welche eine bestrombare Statorwicklung eingelegt ist, und die Statornuten zum Rotor hin gerichtete Nutöffnungen besitzen, wobei der Stator benachbart zu und entlang der radialen Erstreckung wenigstens einer der Statornuten eine Mehrzahl von mit einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlkanälen aufweist, wobei eine Mehrzahl der Kühlkanäle der wenigstens einen Statornut in radialer Richtung hin zu der Nutöffnung abnehmende Strömungsquerschnitte aufweist und an den sich in Umfangsrichtung gegenüberliegenden, sich in radialer Richtung erstreckenden Nutwänden der wenigstens einen Statornut, eine Mehrzahl der Kühlkanäle in radialer Richtung abwechselnd angeordnet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren, als Außenläufer ausgebildeten Rotor, wobei der Stator eine Mehrzahl von Statorzähnen aufweist, welche zwischen ihren freien Enden und dem Rotor einen Luftspalt definieren und in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Statorzähnen jeweils eine sich in radialer Richtung erstreckende Statornut ausgebildet ist, in welche eine bestrombare Statorwicklung eingelegt ist, und die Statornuten zum Rotor hin gerichtete Nutöffnungen besitzen, wobei der Stator benachbart zu und entlang der radialen Erstreckung wenigstens einer der Statornuten eine Mehrzahl von mit einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlkanälen aufweist, wobei eine Mehrzahl der Kühlkanäle der wenigstens einen Statornut in radialer Richtung hin zu der Nutöffnung zunehmende Strömungsquerschnitte aufweist und an den sich in Umfangsrichtung gegenüberliegenden, sich in radialer Richtung erstreckenden Nutwänden der wenigstens einen Statornut, eine Mehrzahl der Kühlkanäle in radialer Richtung abwechselnd angeordnet ist.
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Die elektrische Maschine kann somit als Außenläufer oder Innenläufer konfiguriert sein. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere auch als Axialflussmaschine oder Radialflussmaschine ausgeführt sein. Bevorzugt ist die elektrische Maschine als Radialflussmaschine in einer Außenläufer- oder Innenläufer- Konfiguration ausgebildet.
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Ein wesentlicher Gedanke der erfinderischen Lösung besteht darin, in den Bereichen der eine Statornut in Umfangsrichtung einfassenden Statorzähne angrenzend an diese Statornut, Kühlkanäle vorzusehen, in denen der magnetische Fluss nicht gestört wird. Da ein Statorzahn in radialer Richtung zur Nutöffnung hin bei einem Außenläufer in der Regel in Umfangsrichtung etwas breiter und bei einem Innenläufer in der Regel in Umfangsrichtung etwas schmaler wird, ist die „engste“ Stelle über die Länge des Statorzahns auslegungsrelevant für den maximalen magnetischen Fluss. D.h. man kann in der Regel in Richtung größerem Durchmesser immer mehr Fläche zur Gestaltung von Kühlkanälen nutzen. Die alternierende Anordnung der Kühlkanäle beidseits einer Statornut ist gewählt, damit die Breite des Statorzahns an keiner Stelle kleiner als die „engste“ Stelle wird und somit keine Engstelle für den magnetischen Fluss erzeugt wird, während zugleich die stabilisierende Funktion der Außenkontur des Statorzahns ohne Kühlkanäle ausreichend erhalten bleibt, um die mechanische Stabilität der Statorwicklung in den Nuten zu gewährleisten.
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Das Kühlfluid kann dann beispielsweise auf der einen Wickelkopfseite eingeleitet und dann axial durch die Kühlkanäle des Stators gepumpt werden. Bevorzugt kann dann auf der Auslassseite das Kühlfluid wieder um den Wickelkopf gesammelt und aus der elektrischen Maschine heraus geleitet werden.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfasst 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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Der Stator ist bevorzugt zur Verwendung in einer Radialflussmaschine ausgebildet. Ein Stator für eine Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen.
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In die Statornuten des Stators sind Statorwicklungen eingelassen. 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. Die Statorwicklung kann bevorzugt als Wellenwicklung oder Hairpin-Wicklung ausgeführt sein.
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Der Stator besitzt ferner einen Statorkörper. Der Statorkörper kann einteilig oder mehrteilig, insbesondere segmentiert ausgebildet sein. 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. 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.
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Der Statorkörper ist bevorzugt aus einem oder mehreren Statorblechpaketen gebildet. Als Statorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Statorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Statorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.
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In dem Statorkörper sind bevorzugt die Statorzähne des Stators ausgebildet. Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen oder außen gerichtete Teile des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist. Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein im Wesentlichen kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht.
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Höchst bevorzugt ist der Stator aus einem Statorblechpaket, umfassend eine Mehrzahl an Statorblechen gebildet, wobei die Kühlkanäle mittels Stanz- und/oder Schneidverfahren in die Statorbleche eingebracht sind.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine kann ferner ein Motorgehäuse umfassen. Das Motorgehäuse umhaust die elektrische Maschine, insbesondere ist der Stator in dem Motorgehäuse aufgenommen und drehfest gegenüber diesem fixiert. 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, insbesondere dem Stator und in dem Stator vorhandenen Kühlkanälen, zugeführt wird 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. 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 Kühlkanäle des Stators sind von einem Kühlfluid durchströmbar. Das Kühlfluid hat in dem Stator die Funktion, Wärme möglichst effizient aus sich erwärmenden Bereichen des Stators abzuführen und ein unerwünschtes Überhitzen dieser Bereiche zu vermeiden. Neben dieser Hauptaufgabe kann das Kühlfluid insbesondere auch die Schmierung und den Korrosionsschutz für bewegliche Teile und die Metalloberflächen des Kühlsystems der elektrischen Maschine bereitstellen. Außerdem kann es insbesondere auch Verunreinigungen (beispielsweise durch Abrieb), Wasser und Luft abführen. Das Hydraulikfluid ist bevorzugt eine Flüssigkeit. Das Hydraulikfluid kann insbesondere ein Öl sein. Grundsätzlich ist es allerdings auch denkbar, wässrige Hydraulikfluide, beispielsweise auch Emulsionen wie Wasser-Glykol-Mischungen, zu verwenden.
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Die Kühlkanäle des Stators können an ein hydraulisches Kühlsystem mit einem hydraulischen Kühlkreislauf verbunden sein. Ein derartiges hydraulisches Kühlsystem dient der Abfuhr der innerhalb einer elektrischen Maschine durch elektrische Verluste erzeugten Wärme. Ein derartiges Kühlsystem kann Kühlkanäle innerhalb von Rotor (Rotorkühlkanal) und/oder Stator (Statorkühlkanal) aufweisen, durch die ein entsprechendes Kühlfluid zwecks Abtransport der Wärme geführt ist. Das Kühlfluid kann insbesondere bevorzugt mittels einer Pumpe durch den hydraulischen Kreislauf gefördert werden. Es ist grundsätzlich denkbar, dass eine Mehrzahl von hydraulischen Kreisläufen zur Kühlung der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Hierbei ist es dann höchst bevorzugt, dass die Kühlkanäle des Stators an einem hydraulischen Kühlkreislauf oder an verschiedenen Kühlkreisläufen des Kühlsystems angeschlossen sind. Insbesondere durch den Anschluss an mehrere Kühlkreisläufe ist es möglich, eine genauere Kühlung bereitstellen zu können, da beispielsweise die Temperatur des Kühlfluids bei Eintritt in die Kühlkanäle des Stators, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids oder auch die Art des Kühlfluids (Öl, Emulsion) einstellbar ist.
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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 die elektrische Maschine 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 besonders bevorzugt für eine Verwendung in einem Hybridmodul vorgesehen 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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Die elektrische Maschine kann in einem elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang verbaut sein. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst 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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Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl der Kühlkanäle, bevorzugt alle Kühlkanäle zur Statornut hin offen sind. Es kann hierdurch erreicht werden, dass das Kühlfluid möglichst unmittelbaren Kontakt zu der Statorwicklung in den Statornuten hat, was zu einer verbesserten Kühlleistung beitragen kann.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass im Betrieb der elektrischen Maschine die Durchströmungsgeschwindigkeit des Kühlfluids durch die Kühlkanäle zumindest zeitweise verschieden, insbesondere umgekehrt proportional zum Strömungsquerschnitt des durchströmten Kühlkanals ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass eine möglichst homogene Kühlleistung in radialer Erstreckung der Statornut realisierbar ist. Ferner kann durch eine entsprechende kühlkanalspezifische Durchströmungsgeschwindigkeit der entsprechenden Kühlkanäle des Stators mit einem Kühlfluid die Kühlleistung für einen Kühlkanal sehr spezifisch eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Statorwicklung aus im Querschnitt rechteckigen elektrischen Leitern besteht, was sehr hohe Füllgrade der Statornut ermöglicht.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Grundform der Statorzähne trapezförmig sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass hierdurch Statornuten mit parallel verlaufenden Nutseiten konstruiert werden können, sodass die Nuten eine gleichbleibende Breite haben und somit mehrere übereinander eingelegte rechteckige Drähte derselben Außenabmaße aufnehmen und in der Nut stabil mechanisch lagern kann.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass an den Nutwänden eine Isolationsschicht insbesondere ein Isolationspapier, anliegt. Hierdurch kann erreicht werden, dass einerseits ein optimiertes elektrisches Isolationssystem zwischen den Leitern und dem Statorblechpaket sichergestellt werden kann, dass zugleich auch die Funktion der Isolation sicherstellt als auch die Funktion der Kühlung der Statorwicklung durch die verringerte Anforderung an die Isolationsschichtdicke der Statorwicklung und die durch die daraus resultierende reduzierte Isolationsschichtdicke der Statorwicklung und den dadurch reduzierten thermische Widerstand zwischen den elektrischen Leitern und dem Kühlfluid verbessert, sowie anderseits die Isolationsschicht einen mechanischen Schutz gegen Beschädigung der Statorwicklungsisolation beim Einbringen derselben in die Statornut während des Montageprozesses verhindert.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Isolationsschicht eine Mehrzahl der Kühlkanäle, bevorzugt alle Kühlkanäle, von der Statornut, insbesondere hydraulisch trennt.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Mehrzahl von elektrischen Leitern der Statorwicklung, die gemeinsam in einer Statornut liegen, für mindestens eine der Statornuten, vor dem Einbringen in die Statornut gemeinsam vergossen, umspritzt, umklebt oder ummantelt werden. Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist die Absicherung der mechanischen Stabilität sowie Abstützung der elektrischen Leiter zueinander sowie die Lage der elektrischen Leiter in der Statornut, um ein ungewolltes Verrutschen der elektrischen Leiter zu verbinden. Insbesondere für den Fall, dass zur Statornut hin offene Kühlkanäle vorhanden sind, kann hierdurch sicherstellt werden, wie viel Kühlfluid in Umfangsrichtung gesehen rechts und links an der Statorwicklung vorbei strömt, da die elektrischen Leiter durch diese Maßnahme nicht unbeabsichtigt in die Kühlkanäle hineinrutschen können.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Vergrößerung der Strömungsquerschnitte der Kühlkanäle entlang der radialen Erstreckung der Statornut einer linearen Funktion der folgt. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Steuerung der Durchflussmenge an Kühlfluid durch die Kühlkanäle mittels einer vergleichsweise einfachen und somit in einer Steuerung schnell zu berechnenden Steuerung oder Reglung der Statorkühlung erfolgen kann.
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Die Ausgestaltung der Querschnittskontur der Kühlkanäle kann beliebig gewählt sein. Es sind beispielsweise runde oder rechteckige Konturen denkbar, aber auch Dreiecke. Die Querschnittskontur kann bei der jeweiligen elektromagnetischen Auslegung und Simulation der elektrischen Maschine betrachtet und entsprechend optimiert werden. Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass eine Mehrzahl der Kühlkanäle im Wesentlichen identische Querschnittsformen aufweist, bevorzugt alle Kühlkanäle im Wesentlichen identische Querschnittsformen aufweisen, wodurch ein Einstellen der Kühlleistung durch die Summe der fluiddurchströmten Querschnitte vereinfacht werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 zeigt eine als Innenläufer konfigurierte elektrische Radialflussmaschine in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 2 zeigt einen Detailausschnitt eines Stators einer Radialflussmaschine in einer Querschnittsdarstellung,
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Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 1, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator 2 und einen relativ zum Stator 2 drehbaren, als Innenläufer ausgebildeten Rotor 3, wobei der Stator 2 eine Mehrzahl von Statorzähnen 4 aufweist, welche zwischen ihren freien Enden 5 und dem Rotor 3 einen radial inneren Luftspalt 6 definieren und in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Statorzähnen 4 jeweils eine sich in radialer Richtung erstreckende Statornut 7 ausgebildet ist, in welche eine bestrombare Statorwicklung 8 eingelegt ist, und die Statornuten 7 zum Rotor 3 hin gerichtete Nutöffnungen 10 besitzen. Die Statorzähne 4 sind hierbei im Querschnitt trapezförmig ausgebildet. Die Statorwicklung 8 wird aus im Querschnitt rechteckigen elektrischen Leitern 14 gebildet, die die im Querschnitt U-förmige Statornut 7 im Wesentlichen vollständig ausfüllen. Die Statorwicklung 8 kann beispielsweise als Wellenwicklung oder Hairpin-Wicklung ausgeführt sein.
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Wie aus der 2 hervorgeht, weist der Stator 2 benachbart zu und entlang der radialen Erstreckung einer der Statornuten 7 eine Mehrzahl von mit einem Kühlfluid 11 durchströmbaren Kühlkanälen 12 auf. Die Kühlkanäle 12 besitzenin radialer Richtung hin zu der Nutöffnung 10 abnehmende Strömungsquerschnitte, wobei an den sich in Umfangsrichtung gegenüberliegenden, sich in radialer Richtung erstreckenden Nutwänden 13 der Statornut 7, die Kühlkanäle 12 in radialer Richtung abwechselnd angeordnet ist. Diese alternierende Anordnung der Kühlkanäle 12 beidseits einer Statornut 7 ist gewählt, damit die umfängliche Breite des Statoreisens an keiner Stelle kleiner wird und somit keine Engstelle für den magnetischen Fluss erzeugt wird. Hierdurch bildet sich zwischen zwei benachbarten Statornuten 7 in einem Statorzahn 4 eine reißverschlussähnliche Anordnung der Kühlkanäle 12 aus, welche bei einem gedachten umfänglichen aufeinander zu schwenken, wie bei einem Reißverschluss ineinandergreifen würden. Man erkennt anhand der 2 gut, dass durch diese Anordnung die oben erwähnte gleiche umfängliche Breite zwischen den benachbarten Statornuten 7 hergestellt werden kann. Dabei überlappen sich die Kühlkanäle 12 zweier benachbarter Statornuten 7 in radialer Richtung nicht.
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Die 3 zeigt einen Stator 2 für einen relativ zum Stator 2 drehbaren, als Außenläufer ausgebildeten Rotor 3. Auch dieser Stator 2 weist eine Mehrzahl von Statorzähnen 4 auf, welche zwischen ihren freien Enden 5 und dem Rotor 3 einen radial äußeren Luftspalt 6 definieren und in Umfangsrichtung zwischen benachbarten, trapezförmigen Statorzähnen 4 jeweils eine sich in radialer Richtung erstreckende Statornut 7 ausgebildet ist, in welche eine bestrombare Statorwicklung 8 eingelegt ist, und die Statornuten 7 zum Rotor 3 hin gerichtete Nutöffnungen 10 besitzen. Hierbei weisen die Kühlkanäle 12 der Statornut 7 jedoch im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsform in radialer Richtung hin zu der Nutöffnung 10 zunehmende Strömungsquerschnitte auf. An den sich in Umfangsrichtung gegenüberliegenden, sich in radialer Richtung erstreckenden Nutwänden 13 der Statornut 7, sind die Kühlkanäle 12 in radialer Richtung abwechselnd angeordnet.
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In beiden gezeigten Ausführungsformen der 2-3 sind die Kühlkanäle 12, zur Statornut 7 hin offen und im Wesentlichen identische Querschnittsformen aufweisen. An den Nutwänden 13 liegt eine Isolationsschicht 15, im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Isolationspapier, an. Ersichtlich ist aus den 2-3 ferner, dass die Vergrößerung der Strömungsquerschnitte der Kühlkanäle 12 entlang der radialen Erstreckung der Statornut 7 einer linearen Funktion der folgt, was in den 2-3 durch die entsprechenden Strich-Punkt-Linien angedeutet ist.
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Der Stator 2, wie er jeweils in den 2-3 gezeigt ist, ist aus einem Statorblechpaket umfassend eine Mehrzahl an Statorblechen 16 gebildet, wobei die Kühlkanäle 12 mittels Stanz- und/oder Schneidverfahren in die Statorbleche 16 eingebracht 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
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Statorzähne
- 5
- Enden
- 6
- Luftspalt
- 7
- Statornut
- 8
- Statorwicklung
- 10
- Nutöffnungen
- 11
- Kühlfluid
- 12
- Kühlkanäle
- 13
- Nutwände
- 14
- Leiter
- 15
- Isolationsschicht
- 16
- Statorblech
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3157138 A1 [0007]
- DE 102015013018 A1 [0008]
