DE102021211923A1

DE102021211923A1 - Stator für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102021211923A1
Application number: DE102021211923.9A
Authority: DE
Inventors: Philipp Neidhardt; Matthias Cudok
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Stator (1) für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen eine Zentralachse (A) definierenden Statorgrundkörper (2), welcher eine Anzahl an sich axial bezüglich der Zentralachse (A) erstreckenden Statornuten (3) aufweist, wobei in wenigstens einer Statornut (3) ein einen Aufnahmeraum (5.1) zur Aufnahme wenigstens eines elektrischen Leiterelements (4) begrenzendes Profilbauteil (5) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen eine Zentralachse definierenden Statorgrundkörper, welcher eine Anzahl an sich axial bezüglich der Zentralachse erstreckenden Statornuten aufweist.
Entsprechende Statoren für elektrische Maschinen sind, insbesondere auch aus dem Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, aus dem Stand der Technik grundsätzlich in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt.
Zum allgemeinen Stand der Technik wird in diesem Zusammenhang beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2017 213 662 A1 , DE 10 2017 112 365 A1 oder US 2019 229 566 A1 verwiesen, in welchen Statoren für elektrische Maschinen mit Kühleinrichtungen beschrieben sind. Aus diesen Dokumenten ergibt sich sonach auch die grundsätzlich bekannte Thematik einer ausreichenden, praktikablen sowie zuverlässigen Kühlung entsprechender Statoren.
Zur Kühlung entsprechender Statoren werden bis dato Kühleinrichtungen verwendet, die beispielsweise einen Mantel um den Statorgrundkörper aufweisen, sodass ein Temperierfluid zwischen dem Mantel und dem Statorgrundkörper strömen kann, wodurch Wärme von dem Statorgrundkörper und somit von dem Stator abgeführt wird.
Eine Herausforderung bekannter Kühleinrichtungen ist insbesondere deren Dichtigkeit, mithin erfordern bekannte Kühleinrichtungen vergleichsweise aufwändige Prinzipien zu deren Abdichtung.
Leidglich beispielhaft sei in diesem Zusammenhang auf den Einsatz so genannter Spaltrohre verwiesen, welche nachteilhaft sein können, als diese im bestimmungsgemäßen Montagezustand des Stators als Bestandteil einer elektrischen Maschine den Spaltraum zwischen Stator und Rotor deutlich erhöhen, was sich negativ auf die Leistung der elektrischen Maschine auswirken kann.
Die bekannten Prinzipien zur Kühlung entsprechender Statoren sind sonach im Hinblick auf Aspekte der Dichtigkeit, Praktikabilität und Zuverlässigkeit verbesserungswürdig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen demgegenüber verbesserten Stator für eine elektrische Maschine anzugeben.
Die Aufgabe wird durch einen Stator für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Mögliche Ausführungsformen des Stators sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug. Der Stator ist sonach bestimmungsgemäß zur Verwendung als Bestandteil einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug, vorgesehen. Bei einer entsprechenden elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um ein Antriebs- oder Traktionsmaschine für ein Kraftfahrzeug handeln.
Der Stator umfasst einen eine Zentralachse definierenden Statorgrundkörper. Der typischerweise durch ein Statorblechpaket gebildete bzw. ein solches umfassende Statorgrundkörper weist typischerweise eine hohlzylindrische Grundform auf. Bei der Zentralachse kann es sich sonach um eine Rotations- oder Symmetrieachse des Statorgrundkörpers handeln. Der Statorgrundkörper weist eine Anzahl, d. h. typischerweise eine Mehrzahl, an sich axial bezüglich der Zentralachse erstreckenden Statornuten auf, welche im Allgemeinen Aufnahmebereiche für elektrische Leiterelemente des Stators, wie z. B. Drähte, Spulen, insbesondere Steckspulen bzw. Hairpins, oder Wicklungen, etc., definieren.
In wenigstens einer Statornut des Statorgrundkörpers ist ein einen Aufnahmeraum zur Aufnahme wenigstens eines entsprechenden elektrischen Leiterelements begrenzendes Profilbauteil angeordnet. Typischerweise ist in mehreren Statornuten des Statorgrundkörpers jeweils ein einen Aufnahmeraum zur Aufnahme wenigstens eines entsprechenden elektrischen Leiterelements begrenzendes Profilbauteil angeordnet. Insbesondere ist in allen Statornuten des Statorgrundkörpers jeweils ein einen Aufnahmeraum zur Aufnahme wenigstens eines entsprechenden elektrischen Leiterelements begrenzendes Profilbauteil angeordnet. Die nachfolgenden Ausführungen gelten, wenngleich von wenigstens einem Profilbauteil die Rede sein mag, in analoger Weise für Konfiguration mit mehreren Profilbauteilen.
Durch die Anordnung entsprechender, in ihrer Länge variabler und somit grundsätzlich für eine Vielzahl unterschiedlicher Statoren geeigneter Profilbauteile in jeweiligen Statornuten ist es im Gegensatz zu konventionellen Statoren möglich, entsprechende elektrische Leiterelemente nicht unmittelbar in den Statornuten, sondern in den durch jeweilige Profilbauteile begrenzten Aufnahmeräumen anzuordnen. Wie sich im Weiteren ergibt, eröffnet dies erhebliche Vorteile im Hinblick auf die Kühlmöglichkeit des Stators, welche höchsten Ansprüchen an Dichtigkeit, Praktikabilität und Zuverlässigkeit genügt. Dies ergibt sich insbesondere daraus, dass die aufgrund der (abgesehen von den freien Enden) geschlossenen Profilstruktur jeweiliger Profilbauteile sehr gut abgedichteten Aufnahmeräume mit einem Kühlfluid, d. h. insbesondere einer Kühlflüssigkeit, wie z. B. Öl, durchströmbar sind. In gleicher Weise ist aufgrund der (abgesehen von den freien Enden) geschlossenen Profilstruktur jeweiliger Profilbauteile typischerweise auch eine fehlstellenfreie elektrische Isolation jeweiliger elektrischer Leiterelemente realisierbar.
Ein entsprechendes Profilbauteil ist typischerweise durch rohrartig bzw. -förmig verlaufende Wandungen definiert. Dabei können Abschnitte der Wandungen (erste Wandungsabschnitte) eines jeweiligen Profilbauteils im nicht in einer jeweiligen Statornut angeordneten Zustand des Profilbauteils freilegende Außenflächen des Profilbauteils definieren und zweite Abschnitte der Wandungen (zweite Wandungsabschnitte) des jeweiligen Profilbauteils den Aufnahmeraum begrenzende Innenflächen definieren. Wie sich im Weiteren ergibt, können insbesondere die zweiten Wandungsabschnitte mit einer oder mehreren Funktionsgeometrien bzw. - konturen zur Realisierung wenigstens einer Zusatzfunktion eines jeweiligen Profilbauteils ausgebildet sein.
Die Wandungen eines jeweiligen Profilbauteils können durch bestimmte Druckverhältnisse innerhalb des Profilbauteils gezielt in Anlage an die jeweilige Statornuten begrenzenden Wandungen des Statorgrundkörpers gebracht werden. Derart ist ebenso der für den Betrieb des Stators erhebliche thermische Kontakt zwischen einem jeweiligen Profilbauteil und dem Statorgrundkörper beeinflussbar ist.
Die Wandungen eines jeweiligen Profilbauteils sind, wie erwähnt, typischerweise geschlossen ausgeführt, sodass kein Durchtritt und damit auch keine Leckage eines Kühlfluids von dem auch als Innenraum des Profilbauteils zu erachtenden Aufnahmeraum zu einem das Profilbauteil außen(flächen)seitig umgebenden Außenraum möglich ist. Hieraus ergibt sich die besonders gute Dichtwirkung des Profilbauteils.
Ein entsprechendes Profilbauteil ist typischerweise aus einem elektrisch isolierenden Material bzw. einer elektrisch isolierenden Materialstruktur gebildet und damit typischerweise gleichermaßen ausgebildet, die erwähnte elektrische Isolierung zwischen jeweiligen elektrischen Leiterelementen und dem Statorgrundkörper zu realisieren.
Insgesamt ist durch den Einsatz entsprechender Profilbauteile somit ein verbesserter Stator verwirklicht, was sich insbesondere aus der beschriebenen Dichtigkeit jeweiliger Profilbauteile und der daraus resultierenden praktikablen und zuverlässigen Abdichtung jeweiliger Statornuten gegenüber der Umgebung, d. h. insbesondere gegenüber dem Statorblechpaket und dem Luftspalt, ergibt.
Ein entsprechendes Profilbauteil kann eine an eine Querschnittsgeometrie einer jeweiligen Statornut angepasste Querschnittsgeometrie aufweisen. Die Querschnittsgeometrie eines jeweiligen Profilbauteils ist sonach an die Querschnittsgeometrie einer jeweiligen Statornut angepasst, sodass sich das Profilbauteil möglichst passgenau, z. B. durch Einschieben, Einstecken, etc., axial in der wenigstens einen Statornut anordnen lässt. Dies kann insbesondere bedeuten, dass einzelne oder mehrere die Außenflächen eines jeweiligen Profilbauteils definierende Wandungsabschnitte an den eine jeweilige Statornut begrenzenden Flächen des Statorgrundkörpers anliegen. Unter einer angepassten Querschnittsgeometrie eines jeweiligen Profilbauteils kann gegebenenfalls auch ein gewisses Über- oder Untermaß der Querschnittsgeometrie des Profilbauteils relativ zu der Querschnittsgeometrie einer jeweiligen Statornut zu verstehen sein, sodass das Profilbauteil mit einem negativen oder positiven Spiel innerhalb der Statornut angeordnet sein kann.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich bereits, dass ein entsprechendes Profilbauteil im bestimmungsgemäß in einer jeweiligen Statornut angeordneten Zustand sich axial erstreckend in der Statornut angeordnet ist. Wie erwähnt, kann diese Anordnung z. B. durch einfaches Einschieben, Einstecken, Einziehen, etc. des Profilbauteils in eine jeweilige Statornut erfolgen. Die Montage eines jeweiligen Profilbauteils in einer jeweiligen Statornut ist damit einfach und kann insbesondere teil- oder vollautomatisierbar durchführbar sein.
Es ist dabei möglich, dass ein entsprechendes Profilbauteil sich axial über wenigstens ein stirnseitiges Ende bzw. wenigstens eine Stirnseite des Statorgrundkörpers erstreckend in der wenigstens einen Statornut angeordnet ist. Ein Profilbauteil kann sonach wenigstens einen sich axial über ein stirnseitiges Ende des Statorgrundkörpers erstreckenden Abschnitt aufweisen und damit axial aus wenigstens einem stirnseitigen Ende bzw. wenigstens einer Stirnseite des Statorgrundkörpers ragen bzw. über das jeweilige stirnseitige Ende bzw. der jeweiligen Stirnseite des Statorgrundkörpers hervorstehen. Derart kann das Profilbauteil z. B. eine Schnittstelle mit einem an dem Statorgrundkörper zu befestigenden Anschlussbauteil bilden. Selbstverständlich ist es denkbar, dass ein Profilbauteil sich axial über beide stirnseitige Enden bzw. beide Stirnseiten des Statorgrundkörpers erstreckend in der wenigstens einen Statornut angeordnet ist und somit zwei entsprechende Abschnitte aufweist.
Es ist denkbar, dass wenigstens ein sich über das wenigstens eine stirnseitige Ende bzw. wenigstens eine Stirnseite des Statorgrundkörpers erstreckender Abschnitt eines entsprechenden Profilbauteils, insbesondere unter Ausbildung einer axial wirkenden Dichtfläche, eine Umformung in wenigstens einer Raumrichtung, insbesondere in Umfangsrichtung bezüglich der Zentralachse, aufweist. Ein entsprechender umgeformter Abschnitt kann sonach bedingt durch die Umformung eine andere oder zusätzliche räumliche Erstreckung als die sich innerhalb der jeweiligen Statornut befindlichen Abschnitte des Profilbauteils aufweisen. Ein entsprechender umgeformter Abschnitt kann sonach etwa im Sinne einer Niete umgeformt sein, wodurch sich eine axial wirkende Dichtfläche ergibt.
Es wurde erwähnt, dass ein entsprechendes Profilbauteil bedingt durch den axialen Überstand eine Schnittstelle mit einem an dem Statorgrundkörper zu befestigenden Anschlussbauteil bilden kann. Bei einem entsprechenden Anschlussbauteil kann es sich insbesondere um ein an einem stirnseitigen Ende bzw. einer Stirnseite des Statorgrundkörpers angeordnetes oder ausgebildetes Abschlusselement handeln, welches einen Aufnahmeraum zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme von axial aus dem Statorgrundkörper ragenden Leiterelementabschnitten begrenzt. Selbstverständlich ist es denkbar, dass an beiden stirnseitigen Enden bzw. beiden Stirnseiten des Statorgrundkörpers jeweils ein entsprechendes Abschlusselement angeordnet sein kann.
Ein entsprechendes Abschlusselement kann sonach zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme von axial aus dem Statorgrundkörper ragenden Leiterelementabschnitten eingerichtet sein. Ein entsprechendes Abschlusselement kann dabei im Sinne eines axialen Anschlags für die von axial aus dem Statorgrundkörper ragenden Leiterelementabschnitten dienen, was eine schwimmende Lagerung jeweiliger elektrischer Leiterelemente in jeweiligen Profilbauteilen ermöglicht. Derart können gegebenenfalls thermisch bedingte, auf das durch jeweilige Profilbauteile gebildete Isolationssystem wirkende Kräfte kompensiert werden.
Der durch das Abschlusselement begrenzte Aufnahmeraum kann gleichermaßen von einem Kühlfluid durchströmbar sein und gemeinsam mit den durch jeweilige Profilbauteile begrenzten Aufnahmeräumen eine einen Bestandteil einer Kühleinrichtung des Stators bildende Strömungsstruktur definieren. Als ein entsprechendes Abschlusselement typischerweise eine ringartige- bzw. ringförmige Grundform aufweist, kann der durch das Abschlusselement definierte Aufnahmeraum ein ringartiger bzw. -förmiger Verteilerraum sein, welcher eine umfangsrichtungsmäßige Verteilung des axial aus den Profilbauteilen strömenden Kühlfluids ermöglichen kann. Ein entsprechendes Abschlusselement kann insofern auch als Verteilerelement bezeichnet oder erachtet werden.
Ein entsprechendes Abschlusselement kann, insbesondere form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig, an wenigstens einem Profilbauteil befestigt sein. Insbesondere kann ein entsprechendes Abschlusselement, insbesondere form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig, an wenigstens einem sich axial über wenigstens ein stirnseitiges Ende bzw. eine Stirnseite des Statorgrundkörpers erstreckenden Abschnitt eines jeweiligen Profilbauteils befestigt sein. Ein jeweiliger profilbauteilseitiger Abschnitt kann entsprechend eine Befestigungsschnittstelle für eine flächige Befestigung eines Abschlusselements bilden. Wenngleich form- und/oder kraftschlüssige Befestigungsarten denkbar sind, sind stoffschlüssige Befestigungsarten, d. h. insbesondere Kleben oder Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, zweckmäßig, als diese typischerweise eine zuverlässige dichte und damit leckagefreie Befestigung eines Abschlusselements an einem Profilbauteil ermöglichen.
Es wurde erwähnt, dass ein entsprechendes Profilbauteil mit Funktionsgeometrien bzw. -konturen zur Realisierung wenigstens einer Zusatzfunktion eines jeweiligen Profilbauteils ausgebildet sein kann.
Ein erstes Beispiel für eine Funktionsgeometrie bzw. -kontur ist eine Aufnahmegeometrie bzw. -kontur zur positionsfixierten und/oder -stabilisierten Aufnahme wenigstens eines in dem Profilbauteil aufgenommenen elektrischen Leiterelements. Ein entsprechendes Profilbauteil kann sonach mit wenigstens einer Aufnahmegeometrie zur positionsfixierten und/oder -stabilisierten Aufnahme wenigstens eines in dem Profilbauteil aufgenommenen elektrischen Leiterelements ausgebildet sein. Eine entsprechende Aufnahmegeometrie bzw. -kontur kann konkret z. B. durch an die Außen- bzw. Querschnittsgeometrie jeweiliger elektrischer Leiterelemente angepasst konturierte Formelemente, wie z. B. Stufen, Vorsprünge, Rücksprünge, etc., gebildet sein oder solche umfassen.
Ein weiteres Beispiel für eine Funktionsgeometrie bzw. -kontur ist eine Strömungsgeometrie bzw. -kontur, welche einen von einem Kühlfluid durchströmbaren Strömungsraum definiert. Ein entsprechendes Profilbauteil kann sonach mit wenigstens einer einen von einem Temperierfluid durchströmbaren Strömungsraum definierenden Strömungsgeometrie zur Durchströmung eines jeweiligen Aufnahmeraums mit einem Kühlfluid ausgebildet sein. Eine entsprechende Strömungsgeometrie bzw. -kontur kann insbesondere ein (weitgehend) homogenes Durchströmen mit einem Kühlfluid ermöglichen, was insbesondere ein vollständiges Umströmen jeweiliger elektrischer Leiterelemente erlaubt. Eine entsprechende Strömungsgeometrie bzw. -kontur kann konkret z. B. durch Ausnehmungen, Freiräume, etc., welche einen entsprechenden Strömungsraum definieren, gebildet sein oder solche umfassen. Ein entsprechender Strömungsraum kann insbesondere zwischen in dem jeweiligen Profilbauteil angeordneten elektrischen Leiterelementen und den jeweiligen Aufnahmeraum begrenzenden Wandungen des Profilbauteils und/oder zwischen in dem jeweiligen Profilbauteil angeordneten elektrischen Leiterelementen ausgebildet sein. Ein entsprechender Strömungsraum ermöglicht typischerweise zumindest ein axiales Durchströmen des Profilbauteils mit einem entsprechenden Kühlfluid.
Die Montage jeweiliger elektrischer Leiterelemente in jeweiligen profilbauteilseitig begrenzten Aufnahmeräumen kann durch einfaches Einschieben, Einstecken, Einziehen, etc. der jeweiligen in elektrischen Leiterelemente in jeweilige profilbauteilseitig begrenzte Aufnahmeräume erfolgen. Dabei können mehrere elektrische Leiterelemente in mehreren Ebenen bzw. Lagen übereinander gestapelt werden. Die Montage jeweiliger elektrischer Leiterelemente in jeweiligen profilbauteilseitig begrenzten Aufnahmeräumen ist damit einfach und kann insbesondere teil- oder vollautomatisierbar durchführbar sein. Die axial aus jeweiligen Profilbauteilen hervorstehenden Leiterelementabschnitte können in geeigneter Weise, d. h. z. B. durch Biegen, Twisten, Schweißen, etc., miteinander verbunden werden. Hierbei können entsprechende Abschlusselemente hilfreich sein, als diese die Leiterelementabschnitte stützen können.
Um die Montage jeweiliger elektrischer Leiterelemente weiter zu vereinfachen, kann ein entsprechendes Profilbauteil, insbesondere in einem Bereich eines freien axialen Endes, mit wenigstens einer, insbesondere durch eine sich ausgehend von einem axialen Ende in Richtung eines zweiten axialen Endes axial erstreckenden Schrägfläche gebildeten, Einführgeometrie bzw. -kontur zum axialen Einführen eines elektrischen Leiterelements in das Profilbauteil ausgebildet sein. Durch eine entsprechende Einführgeometrie bzw. -kontur ist gleichermaßen die Gefahr, dass ein entsprechendes elektrisches Leiterelement bei seiner Montage beschädigt wird, deutlich reduziert. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass - mit der gleichen Zielsetzung - elektrische Leiterelemente, z. B. durch Anfasungen, mit Schrägflächen versehen sein können. Entsprechende profilbauteilseitige Einführgeometrien bzw. - konturen verbessern typischerweise ebenso das Einströmen eines Kühlfluids in jeweilige profilbauteilseitig begrenzte Aufnahmeräume.
Es wurde erwähnt, dass ein entsprechendes Profilbauteil aus einem elektrisch isolierenden Material bzw. einer elektrisch isolierenden Materialstruktur gebildet sein kann. In diesem Zusammenhang sind insbesondere (thermoplastische) Kunststoffmaterialien zu nennen, welche sich in einem Extrusionsprozess verarbeiten lassen. Ein entsprechendes Profilbauteil kann sonach ein in einem Extrusionsprozess extrudiertes Kunststoffbauteil sein, was eine sehr effiziente, zuverlässige sowie wirtschaftliche Fertigung ermöglicht. Konkret sei beispielhaft auf thermisch stabile Kunststoffmaterialien, wie z. B. Polyamid, Polycarbonat, etc. verwiesen. Hieraus ergibt sich ebenso, dass ein entsprechendes Profilbauteil in allen Ausführungsformen auch als Extrusionsbauteil bezeichnet bzw. erachtet werden kann.
Der Vollständigkeit halber sei zu erwähnen, dass elektrisch isolierende Eigenschaften eines entsprechenden Profilbauteils auch durch eine elektrisch isolierende Beschichtung, insbesondere der einen jeweiligen Aufnahmeraum begrenzenden Wandungen, eines Profilbauteils realisiert werden können. Denkbar ist z. B. ein Profilbauteil aus Metall, wobei zumindest dessen einen jeweiligen Aufnahmeraum begrenzende Wandungen, z. B. durch eine elektrisch isolierende Beschichtung, etwa aus einem Kunststoffmaterial, elektrisch isolierend ausgeführt sind.
Ein entsprechendes Profilbauteil kann in allen Ausführungsformen, insbesondere material- und/oder konstruktionsbedingt, eine gewisse strukturelle Stabilität aufweisen, sodass es zur Aufnahme von Kräften, d. h. insbesondere Druckkräften, eingerichtet sein kann. Entsprechende Kräfte, d. h. insbesondere Druckkräfte, können sich z. B. aus der Anordnung eines stabförmigen Bauteils, welches in einem oberen Bereich einer jeweiligen Statornut angeordnet ist, ergeben. In diesem Zusammenhang ist auch zu erwähnen, dass ein entsprechendes Profilbauteil auch unter Spannung, insbesondere unter Zugspannung bezüglich der Zentralachse, in der wenigstens einen Statornut angeordnet sein kann. Ein entsprechendes Profilbauteil kann sonach zur Dichtigkeit bzw. Stabilität des Statorgrundkörpers beitragen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator nach dem ersten Aspekt der Erfindung. Die elektrische Maschine kann insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Insbesondere kann es sich bei der elektrischen Maschine um eine Antriebs- bzw. Traktionsmaschine für ein Kraftfahrzeug handeln.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Statorgrundkörpers, welcher eine Anzahl an sich axial bezüglich der Zentralachse erstreckenden Statornuten aufweist; und Anordnen wenigstens eines entsprechenden Profilbauteils in wenigstens einer Statornut. Einzelne, mehrerer oder sämtliche Schritte des Verfahrens können teil- oder vollautomatisiert durchgeführt werden.
Eine konkrete Ausführungsform des Verfahrens kann die nachfolgend beschriebenen Schritte umfassen:

In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen eines Statorgrundkörpers, welcher eine Anzahl an sich axial bezüglich der Zentralachse erstreckenden Statornuten aufweist.

In einem zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt, z. B. vermittels Einschiebens, Einsteckens, Einziehens, etc., ein Anordnen wenigstens eines einen Aufnahmeraum zur Aufnahme wenigstens eines elektrischen Leiterelements begrenzenden Profilbauteils in wenigstens einer Statornut. Typischerweise wird in jeder Statornut ein entsprechendes Profilbauteil angeordnet. Das Anordnen erfolgt zweckmäßig in der Richtung, in der auch der Stanzprozess des Statorblechpakets erfolgte, um zu vermeiden, dass etwaige Stanzgrate die Profilbauteile verletzen. Die in jeweiligen Statornuten angeordneten Profilbauteile stehen jeweils typischerweise beidseitig axial über die Stirnseiten des Statorgrundkörpers hervor.
Optional kann über einen gesonderten Prozess, z. B. einen Innenhochdruckumformungsprozess, ein Anlegen der Profilbauteile an den die jeweiligen Statornuten begrenzenden Wandungen des Statorgrundkörpers herbeigeführt erfolgen. Dies kann mit einer, z. B. induktiven, Erwärmung des Statorgrundkörpers und/oder der Profilbauteile einhergehen, wodurch gegebenenfalls eine thermische Verbindung zwischen dem Statorgrundkörper und den Profilbauteilen realisiert werden kann.
In einem dritten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Anordnen und Befestigen entsprechender Abschlusselemente an den Profilbauteilen und somit an dem Statorgrundkörper. Dies kann, wie erwähnt, z. B. durch ein flächiges stoffschlüssiges Befestigen, d. h. insbesondere ein Verkleben und/oder Verschweißen, jeweiliger Abschlusselemente an jeweiligen axial über die Stirnseiten des Statorgrundkörpers ragenden Abschnitte der Profilbauteile erfolgen.
Sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem Stator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelten analog für die elektrische Maschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und für das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Fig. nochmals erläutert. Dabei zeigt:

1 - 5 jeweils Prinzipdarstellungen eines Stators gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.

1 zeigt ausschnittsweise eine Prinzipdarstellung eines Stators 1 für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Axial- bzw. Frontalansicht auf eine Stirnseite eines eine Zentralachse A definierenden Statorgrundkörpers 2.
Der Stator 1 umfasst den bereits erwähnten Statorgrundkörper 2. Der typischerweise durch ein Statorblechpaket gebildete bzw. ein solches umfassende Statorgrundkörper 2, weist mehrere sich axial bezüglich der Zentralachse A erstreckende Statornuten 3 auf, welche im Allgemeinen Aufnahmebereiche für elektrische Leiterelemente 4 des Stators, wie z. B. Drähte, Spulen, insbesondere Steckspulen bzw. Hairpins, oder Wicklungen, etc., definieren.
In den Statornuten 3 sind Profilbauteile 5 angeordnet, welche jeweils einen Aufnahmeraum 5.1 zur Aufnahme eines oder mehrerer elektrischer Leiterelemente 4 begrenzen.
Durch die Anordnung entsprechender, in ihrer Länge variabler und somit grundsätzlich für eine Vielzahl unterschiedlicher Statoren 1 geeigneter Profilbauteile 5 in den Statornuten 3 ist es möglich, die elektrischen Leiterelemente 4 nicht unmittelbar in den Statornuten 3, sondern in den durch jeweilige Profilbauteile 5 begrenzten Aufnahmeräumen 5.1 anzuordnen. Wie sich im Weiteren ergibt, eröffnet dies erhebliche Vorteile im Hinblick auf die Kühlmöglichkeit des Stators 1, welche höchsten Ansprüchen an Dichtigkeit, Praktikabilität und Zuverlässigkeit genügt. Dies ergibt sich insbesondere daraus, dass die aufgrund der (abgesehen von den freien Enden) geschlossenen Profilstruktur jeweiliger Profilbauteile 5 sehr gut abgedichteten Aufnahmeräume 5.1 mit einem Kühlfluid, d. h. insbesondere einer Kühlflüssigkeit, wie z. B. Öl, durchströmbar sind. In gleicher Weise ist aufgrund der (abgesehen von den freien Enden) geschlossenen Profilstruktur jeweiliger Profilbauteile 5 auch eine fehlstellenfreie elektrische Isolation jeweiliger elektrischer Leiterelemente 4 realisierbar, da die Profilbauteile 5 typischerweise aus einem elektrisch isolierenden Material bzw. einer elektrisch isolierenden Materialstruktur gebildet sind.
Anhand von 1 ist ersichtlich, dass ein jeweiliges Profilbauteil 5 durch rohrartig bzw. -förmig verlaufende Wandungen definiert sein kann. Dabei können erste Wandungsabschnitte 5a des Profilbauteils 5 im nicht in einer jeweiligen Statornut 3 angeordneten Zustand des Profilbauteils 5 freilegende Außenflächen des Profilbauteils 5 definieren und zweite Wandungsabschnitte 5b des Profilbauteils 5 den Aufnahmeraum 5.1 begrenzende Innenflächen definieren. Wie sich im Weiteren ergibt, können insbesondere die zweiten Wandungsabschnitte 5b mit einer oder mehreren Funktionsgeometrien bzw. -konturen zur Realisierung wenigstens einer Zusatzfunktion des Profilbauteils 5 ausgebildet sein bzw. solche umfassen.
Ein erstes Beispiel für eine Funktionsgeometrie bzw. -kontur ist eine in der vergrößerten Ansicht gemäß 2 deutlich erkennbare Aufnahmegeometrie 5.2 bzw. -kontur zur positionsfixierten und/oder -stabilisierten Aufnahme von in dem Profilbauteil 5 aufgenommenen elektrischen Leiterelementen 4. Eine entsprechende Aufnahmegeometrie 5.2 bzw. -kontur kann konkret z. B. durch an die Außen- bzw. Querschnittsgeometrie jeweiliger elektrischer Leiterelemente 4 angepasst konturierte Formelemente, wie z. B. Stufen, Vorsprünge, Rücksprünge, etc., gebildet sein oder solche umfassen.
Ein weiteres Beispiel für eine Funktionsgeometrie bzw. -kontur ist eine ebenso in der vergrößerten Ansicht gemäß 2 deutlich erkennbare, einen von einem Kühlfluid durchströmbaren Strömungsraum 5.3 definierende Strömungsgeometrie 5.4 bzw. - kontur, welche ein (weitgehend) homogenes axiales Durchströmen mit einem Kühlfluid ermöglicht, was typischerweise ein vollständiges Umströmen jeweiliger elektrischer Leiterelemente 4 erlaubt. Eine entsprechende Strömungsgeometrie 5.4 bzw. -kontur kann konkret z. B. durch Ausnehmungen, Freiräume, etc., welche einen entsprechenden Strömungsraum 5.3 definieren, gebildet sein oder solche umfassen. Ein entsprechend Strömungsraum 5.3 kann insbesondere zwischen in dem jeweiligen Profilbauteil 5 angeordneten elektrischen Leiterelementen 4 und den jeweiligen Aufnahmeraum 5.1 begrenzenden Wandungen des Profilbauteils 5 und/oder zwischen in dem jeweiligen Profilbauteil 5 angeordneten elektrischen Leiterelementen 4 ausgebildet sein.
Die Wandungen eines jeweiligen Profilbauteils 5 können durch bestimmte Druckverhältnisse innerhalb des Profilbauteils 5 gezielt in Anlage an die jeweilige Statornuten 3 begrenzenden Wandungen des Statorgrundkörpers 2 gebracht werden, wodurch der für den Betrieb des Stators 1 erhebliche thermische Kontakt zwischen einem jeweiligen Profilbauteil 5 und dem Statorgrundkörper 2 beeinflussbar ist.
Anhand von 1 ist ferner ersichtlich, dass die Profilbauteile 5 eine an die Querschnittsgeometrie der Statornuten 3 angepasste Querschnittsgeometrie aufweisen können, sodass sich die Profilbauteile 5 möglichst passgenau, z. B. durch Einschieben, Einstecken, etc., axial in jeweiligen Statornuten 3 anordnen lassen. Dies kann bedeuten, dass einzelne oder mehrere die Außenflächen jeweiliger Profilbauteile 5 definierende Wandungsabschnitte 5a an den eine jeweilige Statornut 3 begrenzenden Flächen des Statorgrundkörpers 2 anliegen.
Anhand der perspektivischen Axial- bzw. Frontalansicht auf einen Ausschnitt des Stators 1 gemäß 3 ist ersichtlich, dass sich die Profilbauteile 5 axial über wenigstens ein stirnseitiges Ende bzw. eine Stirnseite des Statorgrundkörpers 2 erstreckend in jeweiligen Statornuten 3 angeordnet sein können. Die Profilbauteile 5 können sonach wenigstens einen sich axial über ein stirnseitiges Ende des Statorgrundkörpers 2 erstreckenden Abschnitt 5c aufweisen und damit axial aus wenigstens einem stirnseitigen Ende des Statorgrundkörpers 2 ragen. Derart können die Profilbauteile 5 eine Schnittstelle mit einem an dem Statorgrundkörper 2 zu befestigenden Anschlussbauteil bilden. Typischerweise erstrecken sich die Profilbauteile 5 axial über beide Stirnseiten des Statorgrundkörpers 2 und weisen sonach zwei entsprechende Abschnitte 5c auf.
Wenngleich in den Fig. nicht gezeigt, ist es denkbar, dass jeweilige Abschnitte 5c, insbesondere unter Ausbildung einer axial wirkenden Dichtfläche, eine Umformung, etwa im Sinne einer Niete, in wenigstens einer Raumrichtung, insbesondere in Umfangsrichtung bezüglich der Zentralachse A, aufweisen. Entsprechende Abschnitte 5c können sonach bedingt durch die Umformung eine andere oder zusätzliche räumliche Erstreckung als die sich innerhalb der jeweiligen Statornut 3 befindlichen Abschnitte der Profilbauteile 5 aufweisen.
Anhand der 4, 5, wobei 4 wiederum eine perspektivische Axialansicht auf einen Ausschnitt des Stators 1 ohne elektrische Leiterelemente 4 und 5 eine axial geschnittene Ansicht durch den Stator 1 mit elektrischen Leiterelementen 4 zeigt, ist ersichtlich, dass es sich bei einem entsprechenden Anschlussbauteil um ein an einer Stirnseite des Statorgrundkörpers 2 angeordnetes Abschlusselement 6 handeln kann, welches einen Aufnahmeraum 6.1 zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme von axial aus dem Statorgrundkörper 2 ragenden Leiterelementabschnitten begrenzt. Typischerweise ist an beiden Stirnseiten des Statorgrundkörpers 2 jeweils ein entsprechendes Abschlusselement 6 angeordnet.
Ein entsprechendes Abschlusselement 6 kann sonach zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme von axial aus dem Statorgrundkörper 2 ragenden Leiterelementabschnitten eingerichtet sein und dabei gegebenenfalls im Sinne eines axialen Anschlags für die von axial aus dem Statorgrundkörper 2 ragenden Leiterelementabschnitte dienen, was eine schwimmende Lagerung der elektrischen Leiterelemente 4 in den Profilbauteilen 5 ermöglicht. Derart können gegebenenfalls thermisch bedingte, auf das durch die Profilbauteile 5 gebildete Isolationssystem wirkende Kräfte kompensiert werden.
Der durch ein Abschlusselement 6 begrenzte Aufnahmeraum 6.1 kann gleichermaßen von einem Kühlfluid durchströmbar sein und gemeinsam mit den durch die Profilbauteile 5 begrenzten Aufnahmeräumen 5.1 eine einen Bestandteil einer Kühleinrichtung des Stators 1 bildende Strömungsstruktur definieren. Als ein entsprechendes Abschlusselement 6 typischerweise eine ringartige- bzw. ringförmige Grundform aufweist, kann der durch das Abschlusselement 6 definierte Aufnahmeraum 6.1 ein ringartiger bzw. -förmiger Verteilerraum sein, welcher eine umfangsrichtungsmäßige Verteilung des axial aus den Profilbauteilen 5 strömenden Kühlfluids ermöglichen kann. Ein entsprechendes Abschlusselement 6 kann insofern auch als Verteilerelement bezeichnet oder erachtet werden.
Ein entsprechendes Abschlusselement 6 kann an einem Profilbauteil 5 befestigt sein. Wie 5 zeigt, kann ein entsprechendes Abschlusselement 6 an einem sich axial über eine Stirnseite des Statorgrundkörpers 2 erstreckenden Abschnitt 5c eines jeweiligen Profilbauteils 5 befestigt sein. Ein jeweiliger Abschnitt 5c kann entsprechend eine Befestigungsschnittstelle für eine flächige Befestigung eines Abschlusselements 6 bilden. Wenngleich form- und/oder kraftschlüssige Befestigungsarten denkbar sind, sind stoffschlüssige Befestigungsarten, d. h. insbesondere Kleben oder Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, zweckmäßig, als diese eine zuverlässige dichte und damit leckagefreie Befestigung eines Abschlusselements 6 an einem Profilbauteil 5 ermöglichen.
Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, dass die Montage jeweiliger elektrischer Leiterelemente 4 in jeweiligen profilbauteilseitig begrenzten Aufnahmeräumen 5.1 durch einfaches Einschieben, Einstecken, Einziehen, etc. der jeweiligen elektrischen Leiterelemente 4 in jeweilige profilbauteilseitig begrenzte Aufnahmeräume 5.1 erfolgen kann. Wie die Fig. zeigen, können mehrere elektrische Leiterelemente 4 in mehreren Ebenen bzw. Lagen übereinander gestapelt werden. Die axial aus jeweiligen Profilbauteilen 5 hervorstehenden Leiterelementabschnitte können in geeigneter Weise, d. h. z. B. durch Biegen, Twisten, Schweißen, etc., miteinander verbunden werden. Hierbei können die beschriebenen Abschlusselemente 6 hilfreich sein, als diese die Leiterelementabschnitte stützen können.
Um die Montage jeweiliger elektrischer Leiterelemente weiter zu vereinfachen, können die Profilbauteile 5, insbesondere in einem Bereich ihrer freien axialen Enden, mit sich axial erstreckenden Einführgeometrien 5.5 bzw. -konturen ausgebildet sein. Durch entsprechende Einführgeometrien 5.5 bzw. -konturen ist gleichermaßen die Gefahr, dass elektrische Leiterelemente 4 bei der Montage beschädigt werden, deutlich reduziert. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass - mit der gleichen Zielsetzung - elektrische Leiterelemente 4, z. B. durch Anfasungen, mit Schrägflächen versehen sein können. Entsprechende profilbauteilseitige Einführgeometrien 5.5 bzw. -konturen verbessern typischerweise ebenso das Einströmen eines Kühlfluids in jeweilige profilbauteilseitig begrenzte Aufnahmeräume 5.1.
Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass die Profilbauteile 5 typischerweise aus (thermoplastischen) Kunststoffmaterialien ausgebildet bzw. hergestellt sind, welche sich in einem Extrusionsprozess verarbeiten lassen. Konkret sei beispielhaft auf thermisch stabile Kunststoffmaterialien, wie z. B. Polyamid, Polycarbonat, etc. verwiesen.
Der Vollständigkeit halber sei zu erwähnen, dass elektrisch isolierende Eigenschaften eines entsprechenden Profilbauteils 5 auch durch eine elektrisch isolierende Beschichtung, insbesondere der einen jeweiligen Aufnahmeraum 5.1 begrenzenden Wandungen, realisiert werden können. Denkbar ist z. B. ein Profilbauteil 5 aus Metall, wobei zumindest dessen einen jeweiligen Aufnahmeraum 5.1 begrenzende Wandungen, z. B. durch eine elektrisch isolierende Beschichtung, etwa aus einem Kunststoffmaterial, elektrisch isolierend ausgeführt sind.
Ein entsprechendes Profilbauteil 5 kann in allen Ausführungsbeispielen, insbesondere material- und/oder konstruktionsbedingt, eine gewisse strukturelle Stabilität aufweisen, sodass es zur Aufnahme von Kräften, d. h. insbesondere Druckkräften, eingerichtet sein kann. Entsprechende Kräfte, d. h. insbesondere Druckkräfte, können sich z. B. aus der Anordnung eines stabförmigen Bauteils, welches in einem oberen Bereich einer jeweiligen Statornut 3 angeordnet ist, ergeben. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die Profilbauteile 5 auch unter Spannung, insbesondere unter Zugspannung bezüglich der Zentralachse A, in den Statornuten 3 angeordnet sein können. Die Profilbauteile 5 können sonach zur Dichtigkeit bzw. Stabilität des Statorgrundkörpers 2 beitragen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines wie in den Ausführungsbeispielen gezeigten Stators 1 für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, kann zumindest die folgenden Schritte umfassen: Bereitstellen eines Statorgrundkörpers 2, welcher eine Anzahl an sich axial bezüglich der Zentralachse A erstreckenden Statornuten 3 aufweist; und Anordnen von Profilbauteilen 5 in den jeweiligen Statornuten 3. Einzelne, mehrerer oder sämtliche Schritte des Verfahrens können teil- oder vollautomatisiert durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Statorgrundkörper
3: Statornut
4: elektrisches Leiterelement
5: Profilbauteil
5a: erster Wandungsabschnitt
5b: zweiter Wandungsabschnitt
5c: Abschnitt
5.1: Aufnahmeraum
5.2: Aufnahmegeometrie
5.3: Strömungsraum
5.4: Strömungsgeometrie
5.5: Einführgeometrie
6: Abschlusselement
6.1: Aufnahmeraum
A: Zentralachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017213662 A1 [0003]
DE 102017112365 A1 [0003]
US 2019229566 A1 [0003]

Claims

Stator (1) für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen eine Zentralachse (A) definierenden Statorgrundkörper (2), welcher eine Anzahl an sich axial bezüglich der Zentralachse (A) erstreckenden Statornuten (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Statornut (3) ein einen Aufnahmeraum (5.1) zur Aufnahme wenigstens eines elektrischen Leiterelements (4) begrenzendes Profilbauteil (5) angeordnet ist.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Profilbauteil (5) eine an eine Querschnittsgeometrie der wenigstens einen Statornut (3) angepasste Querschnittsgeometrie aufweist.
Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Profilbauteil (5) sich axial erstreckend in der wenigstens einen Statornut (3) angeordnet ist.
Stator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Profilbauteil (5) sich axial über wenigstens ein stirnseitiges Ende des Statorgrundkörpers (2) erstreckend in der wenigstens einen Statornut (3) angeordnet ist.
Stator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein sich über das wenigstens eine stirnseitige Ende des Statorgrundkörpers (2) erstreckender Abschnitt (5c) des wenigstens einen Profilbauteils (5), insbesondere unter Ausbildung einer axial wirkenden Dichtfläche, eine Umformung in wenigstens einer Raumrichtung aufweist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein an wenigstens einem stirnseitigen Ende des Statorgrundkörpers (2) angeordnetes oder ausgebildetes, insbesondere ringartiges- bzw. ringförmiges Abschlusselement (6).
Stator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Abschlusselement (6), insbesondere form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig, an dem wenigstens einen Profilbauteil (5), insbesondere einem sich axial über wenigstens ein stirnseitiges Ende des Statorgrundkörpers (2) erstreckenden Abschnitt (5c) des wenigstens einen Profilbauteils (5), befestigt ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Profilbauteil (5) mit wenigstens einer Aufnahmegeometrie (5.2) zur positionsfixierten und/oder -stabilisierten Aufnahme wenigstens eines in dem wenigstens einen Profilbauteil (5) aufgenommenen elektrischen Leiterelements (4) ausgebildet ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Profilbauteil (5) mit wenigstens einer einen von einem Temperierfluid durchströmbaren Strömungsraum (5.3) definierenden Strömungsgeometrie (5.4) ausgebildet ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Profilbauteil (5) mit wenigstens einer, insbesondere durch eine Schrägfläche gebildeten, Einführgeometrie zum axialen Einführen eines elektrischen Leiterelements (4) in das wenigstens eine Profilbauteil (5) ausgebildet ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Profilbauteil (5) ein in einem Extrusionsprozess extrudiertes Kunststoffbauteil ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Profilbauteil (5) unter Spannung, insbesondere unter Zugspannung bezüglich der Zentralachse (A), in der wenigstens einen Statornut (3) angeordnet ist.
Elektrische Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines eine Anzahl an Statornuten (3) aufweisenden Statorgrundkörpers (2), welcher eine Anzahl an sich axial bezüglich der Zentralachse (A) erstreckenden Statornuten (3) aufweist; - Anordnen wenigstens eines einen Aufnahmeraum (5.1) zur Aufnahme wenigstens eines elektrischen Leiterelements (4) begrenzendes Profilbauteils (5) in wenigstens einer Statornut (3).