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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen aus einer Mehrzahl von Statorblechen gebildeten Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten eine Statorwicklung mit einer Mehrzahl an elektrischen Leitern angeordnet ist, und die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende jeweils einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine von einem Nutverschlussmittel verschlossene Nutöffnung ausweisen und die Statornuten von einem Kühlfluid durchströmbar sind.
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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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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stator mit einer verbesserten und insbesondere kostengünstig herstellbaren Nutkühlung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine/ein Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen aus einer Mehrzahl von Statorblechen gebildeten Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten eine Statorwicklung mit einer Mehrzahl an elektrischen Leitern angeordnet ist, und die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende jeweils einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine von einem Nutverschlussmittel verschlossene Nutöffnung ausweisen und die Statornuten von einem Kühlfluid durchströmbar sind, wobei die Statorbleche eine erste Gruppe von Statorblechen und eine axial an der ersten Gruppe von Statorblechen anliegende zweite Gruppe von Statorblechen aufweisen, wobei die erste Gruppe von Statorblechen erste Öffnungen besitzt, welche sich mit zweiten Öffnungen in der zweiten Gruppe von Statorblechen in radialer Erstreckung abschnittsweise überdecken, so dass radial durch den Statorkörper erstreckende durchströmbare Fluidkanäle ausgebildet sind, welche jeweils in einer Statornut münden.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass mit lediglich zwei zusätzlichen Blechschnitten (erste und zweite Gruppe von Statorblechen), eine radiale Kühlfluidzufuhr in die Statornuten erfolgen kann. Durch ein entsprechendes Stapeln dieser Statorbleche kann ein Zulauf an Kühlfluid zur Statornut ausgebildet und gleichzeitig immer noch der Magnetkreis über der Statornut sichergestellt werden.
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Der erfindungsgemäße Stator bietet ferner den Vorteil, dass die Kühlleistung innerhalb des Stators der elektrischen Maschine verbessert wird, da das eintretende Kühlfluid maximal die Hälfte der axialen Erstreckung des Statorkörpers zurücklegen muss. Der Druckverlust sinkt zudem durch diese Parallelisierung. Zudem wird das Eisen und Kupfer direkt gekühlt und ermöglicht somit einen hoch effizienten Betrieb einer elektrischen Maschine. Ferner wird durch die vorgeschlage Erfindung der Magnetkreis der elektrischen Maschine nur leicht, bis gar nicht beeinflusst.
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Der erfindungsgemäße 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. Die Statornuten besitzen bevorzugt eine im Wesentlichen U-förmige Querschnittskontur. Höchst bevorzugt weisen die Statornuten gerade, sich in radialer Richtung erstreckende Nutwände auf.
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In die Statornuten des erfindungsgemäßen 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.
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Der erfindungsgemäße 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 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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Der Stator ist insbesondere für die Verwendung in einer elektrischen Maschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. 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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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mehrzahl, bevorzugt alle der elektrischen Leiter eine im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Kontur aufweisen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass auf in der Regel standardmäßig verfügbare elektrische Leiter zur Ausbildung der Statorwicklung zurückgegriffen werden kann, was hinsichtlich der Fertigungskosten des Stators besonders günstig ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Mehrzahl, bevorzugt alle der elektrischen Leiter im Querschnitt im Wesentlichen eine identische Kontur aufweisen. Es kann hierdurch erreicht werden, dass die Bauteil- und Fertigungs-Komplexität des Stators geringgehalten werden kann, was ebenfalls zu günstigen Fertigungsprozessen beiträgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Gruppe von Statorblechen und die zweite Gruppe von Statorblechen zur Ausbildung der Fluidkanäle in axialer Erstreckung des Statorkörpers mittig angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass durch die Einführung des Kühlfluids in der Mitte auch die axiale Mitte besser gekühlt wird, die bei den meisten Kühlkonzepten oft die heißeste Stelle ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die ersten Öffnungen und die zweiten Öffnungen jeweils in radialer Richtung fluchtend zu einer Statornut angeordnet sind.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die ersten Öffnungen und/oder die zweiten Öffnungen eine umlaufend geschlossene Kontur aufweisen.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die ersten Öffnungen und/oder die zweiten Öffnungen eine kreisrunde oder ovale Kontur aufweisen.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die erste Gruppe von Statorblechen und/oder die zweite Gruppe von Statorblechen jeweils aus einem Statorblech bestehen/besteht.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Anzahl der ersten Öffnungen und die Anzahl der zweiten Öffnungen jeweils einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl an Statornuten entspricht.
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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 eine elektrische Maschine in einer Querschnittsansicht,
- 2 eine Axialschnittansicht auf den Stator,
- 3 eine perspektivische Axialschnittdarstellung des Stators,
- 4 eine freigestellte Ansicht der ersten und zweiten Gruppe von Statorblechen zur Ausbildung von Fluidkanälen in einer perspektivischen Axialschnittdarstellung,
- 5 eine freigestellte Ansicht der ersten Gruppe von Statorblechen zur in einer perspektivischen Axialschnittdarstellung und einer Querschnittsansicht,
- 6 eine freigestellte Ansicht der zweiten Gruppe von Statorblechen zur in einer perspektivischen Axialschnittdarstellung und einer Querschnittsansicht,
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Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 2 mit einem Stator 1 und einem relativ zum Stator 1 drehbaren Rotor 18. Die gezeigte elektrische Maschine 2 ist als Radialflussmaschine konfiguriert, so dass der Stator eine Zylinderringartige Raumform aufweist, innerhalb derer der Rotor 18 koaxial gelagert ist.
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Der Stator 1 besitzt einen aus einer Mehrzahl von Statorblechen 11 gebildeten Statorkörper 3 mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 4 und zwischen den Statorzähnen 4 gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Statorkörper 3 erstreckender Statornuten 5. In den Statornuten 5 ist eine Statorwicklung 6 mit einer Mehrzahl an elektrischen Leitern 7 angeordnet. Die Statornuten 5 weisen entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende jeweils einen Nutgrund 8 und ihrem radial inneren Ende eine von einem Nutverschlussmittel 10 verschlossene Nutöffnung 9 auf, wodurch die Statornuten 5 von einem Kühlfluid 12 durchströmbar sind.
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Wie aus der 2 ersichtlich wird, umfassen die Statorbleche 11 eine erste Gruppe von Statorblechen 13 und eine axial an der ersten Gruppe von Statorblechen 13 anliegende zweite Gruppe von Statorblechen 14. Die erste Gruppe von Statorblechen 13 besitzt erste Öffnungen 15, welche sich mit zweiten Öffnungen 16 in der zweiten Gruppe von Statorblechen 14 in radialer Erstreckung abschnittsweise überdecken, so dass radial durch den Statorkörper 3 erstreckende durchströmbare Fluidkanäle 17 ausgebildet sind, welche jeweils in einer Statornut 5 münden, was sich gut anhand der Pfeile in der 2 nachvollziehen lässt.
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Die erste Gruppe von Statorblechen 13 und die zweite Gruppe von Statorblechen 14 sind zur Ausbildung der Fluidkanäle 17 in axialer Erstreckung des Statorkörpers 3 mittig angeordnet. Das Kühlfluid 12 wird aus beiden axialen Richtungen (axial links und rechts) zugeführt. Es ist aber auch möglich das Kühlfluid 12 nur von einer Seite zuzuführen. Das Kühlfluid 12 wird also von radial außen in eine Statornut 5 geleitet und fließt innerhalb der Statornut 5 entlang der Leiter 7 axial nach links und rechts, was durch die entsprechenden Pfeile angedeutet ist.
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Wie auch der Zusammenschau der 2-6 entnehmbar, sind die ersten Öffnungen 15 und die zweiten Öffnungen 16 jeweils in radialer Richtung fluchtend zu einer Statornut 5 angeordnet sind. Die ersten Öffnungen 15 und die zweiten Öffnungen 16 weisen eine ovale Kontur auf.
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In der 4 ist gezeigt, dass die erste Gruppe von Statorblechen 13 aus wenigstens zwei Statorblechen 13 und die zweite Gruppe von Statorblechen 14 aus einem Statorblech 14 besteht, wobei das Statorblech 14 axial von den zwei Statorblechen 13 eingefasst ist. Die Anzahl der ersten Öffnungen 15 und die Anzahl der zweiten Öffnungen 16 entspricht jeweils einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl an Statornuten 5.
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Aus der Zusammenschau der 2-6 ist ebenfalls zu erkennen, dass die erste Gruppe von Statorblechen 13 eine hydraulische Verbindung zu den Zuläufen 20 des Kühlfluids 12 bereitstellt, während die zweite Gruppe von Statorblechen 14 die hydraulische Verbindung zu den Statornuten 5 ausbildet. Gut zu sehen ist in diesem Zusammenhang auch, dass der Magnetkreis über das Statorjoch 19 immer noch geschlossen werden kann.
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Anders als in den 2-6 gezeigt, wäre es auch möglich, die Zuläufe 20 nicht als Kanal innerhalb des Statorkörpers 3 auszubilden, sondern als ein separates Bauteil radial außen an dem Statorkörper 3 anzuordnen. Ebenfalls wäre es möglich die Statorbleche 13 radial nach außen hin komplett zu öffnen. Hier könnte dann dort ein radial außen ein Zuführungskanal für die Zuläufe 20 in jeglicher Form angebracht sein.
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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
- Stator
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Statorkörper
- 4
- Statorzähne
- 5
- Statornuten
- 6
- Statorwicklung
- 7
- Leitern
- 8
- Nutgrund
- 9
- Nutöffnung
- 10
- Nutverschlussmittel
- 11
- Statorbleche
- 12
- Kühlfluid
- 13
- Statorbleche
- 14
- Statorbleche
- 15
- Öffnungen
- 16
- Öffnungen
- 17
- Fluidkanäle
- 18
- Rotor
- 19
- Statorjoch
- 20
- Zuläufe
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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]
