DE102022109799A1

DE102022109799A1 - Elektrische Maschine mit einem Stator

Info

Publication number: DE102022109799A1
Application number: DE102022109799.4A
Authority: DE
Inventors: Harald Müller
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2022-04-22
Publication date: 2023-10-26

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (1) mit einem Stator (3) beschrieben, der mehrere umfangsseitig verteilt angeordnete und sich in axialer Richtung (X) des Stators (3) erstreckende Statorzähne (9A bis 9G) umfasst. In Umfangsrichtung (U) des Stators (3) sind zwischen den Statorzähnen (9A bis 9G) Zwischenräume (10A bis 10F) vorgesehen, die in Umfangsrichtung (U) des Stators (3) jeweils von benachbarten Statorzähnen (9A und 9B, 9B und 9C, 9C und 9D, 9D und 9E, 9E und 9F, 9F und 9G) in axialer Richtung (X) des Stators (3) von Gehäuseteilen (11, 12) und in radialer Richtung (R) des Stators (3) von einem Spaltrohr (8) und von einem weiteren Gehäuseteil (13) begrenzt sind. Durch die Zwischenräume (10A bis 10F) ist jeweils Kühlmittel in axialer Richtung (X) des Stators (3) führbar. In zumindest zwei der Zwischenräume (10A, 10F) ist jeweils ein Trennsteg (14, 15) vorgesehen, die die Zwischenräume (10A bis 10F) des Stators (3) in Umfangsrichtung (U) des Stators (3) in eine erste Gruppe von Zwischenräumen (10A1, 10B bis 10 E, 10F1) und wenigstens in eine zweite Gruppe von Zwischenräumen (10A2, 10F2) unterteilen. Die erste Gruppe der Zwischenräume (10A1, 10B bis 10 E, 10F1) bildet einen ersten Strömungspfad (100) und die zweite Gruppe der Zwischenräume (10A2, 10F2) einen zweiten Strömungspfad (200, 300) für das Kühlmittel. Die Strömungspfade (100, 200, 300) verbinden jeweils einen Kühlmittel-Vorlauf (6) mit einem Kühlmittel-Rücklauf (8A) und sind durch die Trennstege (14, 15) voneinander getrennt.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, der mehrere umfangsseitig verteilt angeordnete und sich in axialer Richtung des Stators erstreckende Statorzähne umfasst.
Elektrische Maschinen, wie Elektromotoren oder Generatoren oder auch elektrische Maschinen, die als Motor und als Generator betrieben werden können, umfassen zumindest einen Stator und einen Rotor. Dabei stellt ein Stator einen lokal ortsfesten Teil einer elektrischen Maschine dar, mittels dem eine rotatorische Leistung erzeugbar ist. Ein Rotor ist ein zum Erzeugen einer rotatorischen Leistung rotierender Teil bzw. ein mittels einer erzeugten rotatorischen Leistung drehender Teil einer elektrischen Maschine. Zusätzlich können elektrische Maschine weitere Teile, wie eine Steuerung oder dergleichen, umfassen.
Sowohl der Rotor als auch der Stator sind dabei nicht zwingend einstückig ausgeführt. Ein Stator kann beispielsweise mehrere umfangsseitig verteilt angeordnete und sich in axialer Richtung des Stators erstreckende Statorzähne umfassen. Um die Statorzähne werden elektrische Spulen gewickelt. In Umfangsrichtung des Stators sind zwischen den Statorzähnen jeweils Zwischenräume vorgesehen. Die Zwischenräume werden in Umfangsrichtung des Stators jeweils von zwei benachbarten Statorzähnen, in axialer Richtung des Stators von Gehäuseteilen und in radialer Richtung des Stators beispielsweise von einem Spaltrohr und von einem weiteren Gehäuseteil begrenzt.
Hocheffiziente elektrische Maschinen, die zur Erzeugung hoher Leistungen ausgelegt werden, sind mit sogenannten geblechten Statorsegmenten bzw. Statorzähnen ausgeführt, um die elektrische Maschine unter anderem mit geringen Wirbelstromverlusten betreiben zu können. Zur Kühlung solcher elektrischer Maschinen wird Kühlmittel von einem Kühlmittel-Vorlauf in axialer Richtung des Stators durch die Zwischenräume zu einem Kühlmittel-Rücklauf geführt.
Dabei besteht jedoch nachteilhafterweise die Möglichkeit, dass Kühlmittel durch die geblechten Einheiten der Statorzähne und damit in Umfangsrichtung des Stators aus einem Zwischenraum in einen benachbarten Zwischenraum strömt. Dies ist besonders bei Leckagen im Bereich von Zwischenräumen problematisch, da über eine solche Leckage eine derartige Kühlmittelmenge aus einem Kühlmittel-Kreislauf austreten kann, dass die Kühlleistung, die für die Temperierung einer elektrischen Maschine zur Verfügung steht, erheblich absinkt, wenn der Kühlmittelverlust nicht ausgeglichen wird.
Der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache und kostengünstig herstellbare elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, bei der selbst bei einer Leckage im Bereich der elektrischen Maschine eine ausreichende Kühlung gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird mit einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine elektrische Maschine mit einem Stator bereitgestellt. Der Stator umfasst mehrere umfangsseitig verteilt angeordnete und sich in axialer Richtung des Stators erstreckende Statorzähne. In Umfangsrichtung des Stators sind zwischen den Statorzähnen jeweils Zwischenräume vorgesehen, die in Umfangsrichtung des Stators jeweils von zwei benachbarten Statorzähnen, in axialer Richtung des Stators von Gehäuseteilen und in radialer Richtung des Stators von einem Spaltrohr und von einem weiteren Gehäuseteil begrenzt sind. Durch die Zwischenräume ist jeweils fluides Kühlmittel in axialer Richtung des Stators führbar.
Dabei besteht die Möglichkeit, zur Kühlung bzw. Temperierung jeweils flüssige Stoffe, wie geeignete Öle oder Glykol-Wasser-Gemische, oder auch gasförmige Stoffe, wie Stickstoff, geeignete Luft-Gas-Gemische und dergleichen, bei gleichzeitiger Berücksichtigung unterschiedlichster Anforderungen, wie die Oxidationsaffinität der zu temperierenden Bauteile der elektrischen Maschine, der Wärmekapazität des eingesetzten Kühlmittels oder ähnlichem, zu verwenden.
In zumindest zwei der Zwischenräume ist jeweils ein Trennsteg vorgesehen, die die Zwischenräume des Stators in Umfangsrichtung des Stators in eine erste Gruppe von Zwischenräumen und in wenigstens eine zweite Gruppe von Zwischenräumen unterteilen. Die erste Gruppe der Zwischenräume bildet einen ersten Strömungspfad, und die zweite Gruppe der Zwischenräume bildet einen zweiten Strömungspfad für das Kühlmittel. Die Strömungspfade verbinden jeweils einen Vorlauf mit einem Rücklauf und sind durch die Trennstege voneinander getrennt.
Damit umfasst die elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung zumindest zwei voneinander getrennte und somit zueinander redundante Kühlstrukturen, die zumindest innerhalb des Stators jeweils einen separaten Kühlkreislauf bilden. Die elektrische Maschine ist somit bei einer Leckage im Bereich des ersten Strömungspfades oder im Bereich des zweiten Strömungspfades nach wie mit Kühlmittel beaufschlagbar und temperierbar, das dann entweder über den zweiten Strömungspfad oder durch den ersten Strömungspfad durch den Stator geführt wird. Der jeweils in seiner Funktion eingeschränkte Strömungspfad kann auf einfache Art und Weise vom Kühlmittel-Kreislauf getrennt werden, um einen Kühlmittelverlust zu verhindern. Dadurch kann zumindest eine eingeschränkte Kühlleistung für die elektrische Maschine zur Verfügung gestellt und eine Funktionsweise der elektrischen Maschine auf konstruktiv einfache und kostengünstige Art und Weise aufrecht erhalten werden.
Die Trennstege können aus nicht magnetischem Material hergestellt sein. Damit werden durch den Einbau der Trennstege im Betrieb der elektrischen Maschine auf einfache Art und Weise unerwünschte Wirbelstromverluste vermieden bzw. im Vergleich zu einer elektrischen Maschine, die ohne Trennstege ausgeführt ist, nur in geringem Umfang erhöht.
Dabei besteht die Möglichkeit, die Trennstege beispielsweise aus Messing oder aus Edelstahl, wie V2A oder dergleichen, herzustellen. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, die Trennstege aus einem Soft Magnetic Composite (SMC) herzustellen. Sogenannte SMC-Materialien bestehen aus Eisenpulver, dessen Körner jeweils eine elektrisch isolierte Oberfläche haben und ein Magnetfeld nicht in unerwünschter Art und Weise beeinträchtigen.
In radialer Richtung des Stators können jeweils zwischen den Trennstegen und dem Spaltrohr und zwischen den Trennstegen und dem weiteren Gehäuseteil Dichteinrichtungen vorgesehen sein. Über die Dichteinrichtungen können die Strömungspfade mit geringem Aufwand fluidisch gegeneinander abgedichtet werden.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Trennstege weder mit dem Spaltrohr noch mit dem weiteren Gehäuseteil in geeigneter Art und Weise dichtend verbunden werden können. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn das Spaltrohr aus einem Verbundmaterial besteht, das beispielsweise nicht mit dem Material, aus dem die Trennstege hergestellt werden, verschweißt oder in anderer geeigneter Art und Weise dichtend verbunden werden kann.
Die Dichteinrichtungen können jeweils ein Dichtelement umfassen, die jeweils in Dichtnuten bzw. Längsnuten der Trennstege angeordnet werden können und jeweils dichtend an den Trennstegen und dem Spaltrohr sowie dichtend an den Trennstegen und an dem weiteren Gehäuseteil anliegen.
Die Dichtelemente können bei kostengünstigen Ausführungsformen als O-Ring ausgeführt sein, einen rechteckigen bzw. einen X-förmigen Querschnitt aufweisen oder hohlzylindrisch ausgeführt sein.
Dabei können die Dichtelemente aus sogenannten NBR-Material, d.h. Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, hergestellt sein, der auch als Nitrilkautschuk bezeichnet wird und ein Copolymer aus Acrylnitril und 1 ,3-Butadien ist sowie zu den Synthesekautschuken zählt. Vulkanisate des Kautschuks haben eine hohe Beständigkeit gegen Mineralöle, Fette und Kohlenwasserstoffe und sind daher für den vorliegenden Einsatz besonders geeignet.
Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, die Dichtelemente aus Fluorelastomeren, aus Polyether-Etherketon (PEEK) oder aus PA-6 herzustellen.
Zusätzlich kann die Dichtung auch durch definierte Oberflächenrauigkeiten im Bereich der Anlageflächen zwischen den Trennstegen und dem Spaltrohr bzw. zwischen den Trennstegen und dem weiteren Gehäuseteil realisiert werden. Dabei können die Rauigkeiten dieser letztgenannten Oberflächen derart ausgeführt sein, dass während der Montage der elektrischen Maschine durch die gewählten Rauigkeiten ein sogenanntes Kaltverschweißen im Bereich der Anlageflächen der miteinander montierten Bauteile auftritt und die gewünschte Abdichtung gegen das Kühlmittel erzeugt wird.
Wenigstens einer der Trennstege kann mit wenigstens einem Kühlkanal ausgebildet sein, durch den Kühlmittel vom Kühlmittel-Vorlauf zum Rücklauf führbar ist. Dann stellen die Trennstege selbst jeweils eine weitere redundante Kühlstruktur zur Verfügung, die bei einem Ausfall des ersten Strömungspfades und/oder des zweiten Strömungspfades zumindest im Bereich der Trennstege eine Kühlung der elektrischen Maschine ermöglicht.
Zusätzlich kann zumindest einer der Trennstege mit wenigstens einer Messleitung ausgeführt sein, über die beispielsweise eine Betriebstemperatur der elektrischen Maschine im Bereich des Trennsteges, Vibrationen bzw. Schwingungen im Bereich des Stators und dergleichen erfassbar bzw. überwachbar sind.
Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, dass zumindest einer der Trennstege mit einer Heizpatrone ausgeführt ist. Über eine solche Heizpatrone kann die elektrische Maschine, die insbesondere in einem Luftfahrzeug für dessen Antrieb vorgesehen sein kann, auch bereits vor einer Inbetriebnahme temperiert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Luftfahrzeug bei einer niedrigen Umgebungstemperatur in Betrieb genommen wird und der anschließende Anstieg der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine Betauungsprobleme verursacht.
In Abhängigkeit von jeweils zur Verfügung stehenden Bauräumen sowie einer jeweils zur Verfügung zu stellenden Kühlleistung können die Zwischenräume der ersten Gruppe und/oder die Zwischenräume der zweiten Gruppe jeweils derart mit dem Kühlmittel-Vorlauf und dem Kühlmittel-Rücklauf in Verbindung stehen, dass das Kühlmittel jeweils parallel und mit der gleichen Strömungsrichtung durch die Zwischenräume geführt wird.
Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, dass der Kühlmittel-Vorlauf, die Zwischenräume der ersten Gruppe und der Kühlmittel-Rücklauf und/oder der Kühlmittel-Vorlauf, die Zwischenräume der zweiten Gruppe und der Kühlmittel-Rücklauf in Reihe geschaltet sind. Dann kann das Kühlmittel die Zwischenräume der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe nacheinander durchströmen, und die Zwischenräume der ersten Gruppe und/oder die Zwischenräume der zweiten Gruppe können jeweils einen mäanderförmigen Strömungspfad für das Kühlmittel bilden.
Bei einer durch eine hohe Bauteilfestigkeit gekennzeichneten Ausführungsform der elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung ist wenigstens einer der Trennstege mit dem weiteren Gehäuseteil verschweißt.
Zudem ist wenigstens einer der Trennstege bei einer mit geringem Aufwand montierbaren Ausführungsform der elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer Nut ausgeführt. Die Nut kann sich zumindest bereichsweise in axialer Richtung in einer umfangsseitigen Seitenfläche des Trennsteges erstrecken. Ein benachbarter Statorzahn kann mit einem vorkragenden Bereich formschlüssig in die Nut eingreifen. Dann ist eine exakte Positionierung des Trennsteges in Bezug auf die Statorzähne auf einfache Art und Weise während der Montage möglich.
Wenigstens einer der Zähne kann mit einer Nut ausgeführt sein, die sich zumindest bereichsweise in axialer Richtung in einer umfangsseitigen Seitenfläche des Zahnes erstreckt und in die ein benachbarter Trennsteg mit einem vorkragenden Bereich formschlüssig eingreift.
Der Trennsteg kann formschlüssig in eine radiale Ausnehmung des weiteren Gehäuseteils eingreifen. Dann ist wiederum eine einfache Montage in Verbindung mit einer einfachen Positionierung des Trennsteges in Bezug auf das weitere Gehäuseteil gewährleistet.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal, das in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal, das hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal, das hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Darstellung eines Elektromotors;
2 eine stark vereinfachte dreidimensionale Teilansicht der elektrischen Maschine gemäß 1;
3 eine Seitenansicht des in 2 dargestellten Bereiches des Stators der elektrischen Maschine;
4 eine dreidimensionale Einzelansicht eines Trennsteges des Stators gemäß 3;
5 eine Seitenansicht des Trennsteges gemäß 4;
6 eine 4 entsprechende Darstellung eines weiteren Trennsteges; und
7 eine 5 entsprechende Darstellung des Trennsteges gemäß 6.

1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer elektrischen Maschine 1 mit einem Rotor 2 und mit einem Stator 3, die beispielsweise ein Elektromotor eines Luftfahrzeuges sein kann. Der Rotor 2 ist rotationssymmetrisch zu einer Achse 4, die in axialer Richtung X der elektrischen Maschine 1 verläuft. Eine radiale Richtung R der elektrischen Maschine 1 steht senkrecht zur axialen Richtung X, während eine Umfangsrichtung U der elektrischen Maschine 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft.
Der Stator 3 ist vorliegend von einem Kühlmittel-Kreislauf 5 mit Kühlmittel beaufschlagbar, wobei ein Kühlmittel-Vorlauf 6 stromab eines Kühlers 7 vorgesehen ist. Aus dem Kühlmittel-Vorlauf 6 ist Kühlmittel in der nachfolgend näher beschriebenen Art und Weise in den Stator 3 einleitbar. Stromab des Stators 3 strömt das Kühlmittel über einen Kühlmittel-Rücklauf 8A aus dem Stator 3 und zurück in Richtung des Kühlers 7. Zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 2 ist vorliegend ein sogenanntes Spaltrohr 8 angeordnet, das aus einem Verbundwerkstoff hergestellt ist und fest mit dem Stator 3 verbunden ist.
2 zeigt eine dreidimensionale Teilschnittansicht des Stators 3 der elektrischen Maschine 1 gemäß 1. Zusätzlich ist in 3 eine Seitenansicht des in 2 dargestellten Teils des Stators 3 gezeigt. Aus den Darstellungen gemäß 2 und 3 geht hervor, dass die elektrische Maschine 1 bzw. dessen Stator 3 mehrere in Umfangsrichtung U verteilt angeordnete und sich in axialer Richtung X des Stators 3 erstreckende Statorzähne 9A bis 9G umfasst. In Umfangsrichtung U des Stators 3 begrenzen jeweils zwei Statorzähne 9A und 9B, 9B und 9C, 9C und 9D, 9D und 9E, 9E und 9F sowie 9F und 9G jeweils einen Zwischenraum 10A bis 10F, durch die jeweils in axialer Richtung X des Stators 3 Kühlmittel vom Kühlmittel-Vorlauf 6 in Richtung des Kühlmittel-Rücklaufs 8A führbar ist. in axialer Richtung X des Stators 3 sind die Zwischenräume 10A bis 10F von Gehäuseteilen 11, 12 und in radialer Richtung R des Stators 3 vom Spaltrohr 8 und von einem weiteren Gehäuseteil 13 begrenzt.
In 2 und 3 sind jeweils zwei Trennstege 14, 15 dargestellt. Die Trennstege 14, 15 sind vorliegend aus nicht magnetischem Material hergestellt und können bei entsprechend gewähltem Material in gewünschtem Umfang bauraumgünstig dimensioniert werden. Dabei ist der Trennsteg 14 in Umfangsrichtung U des Stators 3 zwischen den Zähnen 9A und 9B angeordnet und verläuft in axialer Richtung X des Stators 3 in etwa mittig durch den Zwischenraum 10A. Der weitere Trennsteg 15 ist zwischen den Statorzähnen 9F und 9G angeordnet und verläuft in axialer Richtung X in etwa mittig durch den Zwischenraum 10F. Dabei trennt der Trennsteg 14 den Zwischenraum 10A sowohl geometrisch als auch fluidisch in zwei Teilzwischenräume 10A1 und 10A2. Zusätzlich unterteilt der Trennsteg 15 den Zwischenraum 10F geometrisch und fluidisch in zwei Teilzwischenräume 10F1 und 10F2.
Der Teilzwischenraum 10A1, die Zwischenräume 10B bis 10E und der Teilzwischenraum 10F1 sind in Umfangsrichtung U zwischen den beiden Trennstegen 14 und 15 angeordnet. Des Weiteren stehen der Teilzwischenraum 10A1, die Zwischenräume 10B bis 10E und der Teilzwischenraum 10F1 fluidisch miteinander in Verbindung und bilden einen gemeinsamen Strömungspfad 100 für das Kühlmittel zwischen dem Kühlmittel-Vorlauf 6 und dem Kühlmittel-Rücklauf 8A und durch den Stator 3 hindurch. Damit gehören der Teilzwischenraum 10A1, die Zwischenräume 10B bis 10E und der Teilzwischenraum 10F1 zu einer ersten Gruppe von Zwischenräumen des Stators 3, die eine eigenständige Kühlung des Stators 3 definieren.
Die beiden Stege 14 und 15 begrenzen in Umfangsrichtung U einen Winkelbereich des Stators 3 von etwa 30°. Neben den beiden Trennstegen 14 und 15 umfasst der Stator 3 bei dem vorliegend betrachteten Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 1 zehn weitere Trennstege, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt sind. In Umfangsrichtung U sind zwischen den Trennstegen und den weiteren Trennstege in der vorbeschriebenen Art und Weise jeweils mehrere Zwischenräume angeordnet und definieren mit den Trennstegen elf weitere Gruppen bzw. elf weitere voneinander fluidisch getrennte Strömungspfade für das Kühlmittel. Dabei sind in 3 unter den Bezugszeichen 200 und 300 zumindest zwei weitere separate Strömungspfade durch den Stator 3 näher bezeichnet. Vorliegend ist der Teilzwischenraum 10A2 dem Strömungspfad 200 zugeordnet, wohingegen der Teilzwischenraum 10F2 dem Strömungspfad 300 zugeordnet ist.
Dabei wird vorliegend unter dem Begriff Strömungspfad ein hydraulischer Strömungsweg für das Kühlmittel durch den Stator 3 verstanden, der jeweils von einem weiteren Strömungspfad fluidisch getrennt ist. Das bedeutet, dass zwischen den Strömungspfaden bzw. den Gruppen von Zwischenräumen kein Austausch von Kühlmittel möglich ist und Kühlmittel jeweils nur vom Kühlmittel-Vorlauf in einen Strömungspfad einleitbar und aus dem Strömungspfad in den Kühlmittel-Rücklauf führbar ist.
Durch die in der vorstehend näher beschriebenen Art und Weise voneinander getrennten zwölf Strömungspfade 100, 200, 300 umfasst der Stator 3 zwölf redundante Leitungen, durch die das Kühlmittel durch den Stator 3 geleitet werden kann. Diese konstruktive Ausführung des Stators 3 bietet bei Auftreten einer Leckage im Bereich eines der Strömungspfade 100, 200, 300 die Möglichkeit, diesen defekten Strömungspfad 100, 200, 300 gegenüber dem Kühlmittel-Kreislauf 5 zu sperren und nicht mehr mit Kühlmittel zu beaufschlagen, um einen unerwünschten Kühlmittelverlust zu verhindern. Gleichzeitig ist der Stator 3 über die anderen elf Strömungspfade des Stators 3 weiterhin mit Kühlmittel beaufschlagbar und kühlbar.
In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles besteht auch die Möglichkeit, den Stator 3 über die Trennstege mit lediglich zwei voneinander getrennte Strömungspfaden auszuführen, die sich dann in Umfangsrichtung U jeweils über einen Winkelbereich von 180° erstrecken. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Stator 3 wenigstens drei oder auch mehr als drei voneinander getrennte Strömungspfade aufweist. Es ist auch denkbar, dass jeder der Zwischenräume des Stators einen eigenständigen Strömungspfad bildet.
4 zeigt eine dreidimensionale Einzelansicht des Trennsteges 14. Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass der Trennsteg 14 in axialer Richtung X des Stators 3 einen im Wesentlichen geraden Verlauf aufweist und in radialer Richtung R des Stators 3 größer ausgeführt ist als in Umfangsrichtung U. An seiner dem weiteren Gehäuseteil 13 zugewandten radialen Stirnseite 14A und an seiner dem Spaltrohr 8 zugewandten Innenseite 14B weist der Trennsteg 14 Längsnuten 14C, und 14D auf. In den Längsnuten 14C, 14D ist jeweils in der in 3 gezeigten Art und Weise ein Dichtelement 14E, 14F angeordnet, die jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Über die Dichtelemente 14E, 14F sind jeweils Anlagebereiche des Trennsteges 14 am Spaltrohr 8 sowie am weiteren Bauteil 13 in Umfangsrichtung U gegen einen Durchfluss von Kühlmittel abgedichtet. Dadurch wird durch den Trennsteg 14 ein Austausch von Kühlmittel zwischen dem Strömungspfad 100 und dem in Umfangsrichtung U dazu benachbarten Strömungspfad 200 des Stators 3 in gewünschtem Umfang verhindert.
Dabei besteht die Möglichkeit, sowohl die Geometrien als auch die Materialien der Dichtelemente 14E, 14F in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles auszuwählen, um den im Betrieb einer elektrischen Maschine 1 jeweils auftretenden unterschiedlichen Belastungen, wie einem Druck des Kühlmittels, der bis zu 50 bar betragen kann, oder der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine 1, die auf bis zu 400°C ansteigen kann, widerstehen zu können.
5 zeigt eine Seitenansicht einer axialen Stirnseite 14G des Trennsteges 14, der im Bereich einer umfangsseitigen Seitenfläche 14H mit einer in axialer Richtung X verlaufenden und im Querschnitt wenigstens annähernd dreieckförmig ausführten Längsnut 14K ausgebildet ist. Auf der in Umfangsrichtung U gegenüberliegenden Seitenfläche 14L des Trennsteges 14 ist ein gegenüber der Seitenfläche 14L vorkragender Bereich 14M vorgesehen, der in der in 3 gezeigten Art und Weise formschlüssig in eine Längsnut 9A1 des Statorzahns 9A eingreift. Zusätzlich greift der Statorzahn 9B mit einem vorkragenden Bereich 9B1 in die Längsnut 14K des Trennsteges 14 ein.
6 zeigt eine 4 entsprechende Darstellung des Trennsteges 15, der im Wesentlichen den gleichen konstruktiven Aufbau wie der Trennsteg 14 aufweist. Der Trennsteg 15 ist im Bereich seiner radialen Stirnseite 15A und im Bereich seiner Innenseite 15B jeweils mit einer Längsnut 15C bzw. 15D sowie in seiner Seitenfläche 15H mit einer Längsnut 15K ausgebildet und umfasst zusätzlich zwei Kühlkanäle 15N und 15P. Die Kühlkanäle 15N und 15P verlaufen in axialer Richtung X durch den Trennsteg 15. Durch die beiden Kühlkanäle 15N und 15P ist jeweils getrennt von den Strömungspfaden 100, 200, 300 des Stators 3 Kühlmittel in axialer Richtung X durch den Stator 3 führbar, um den Stator 3 zusätzlich temperieren bzw. kühlen zu können. In den Längsnuten 15C, 15D sind jeweils in der in 3 gezeigten Art und Weise Dichtelemente 15E und 15F anordenbar, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Über die Dichtelemente 15E, 15F sind jeweils Anlagebereiche des Trennsteges 15 am Spaltrohr 8 sowie am weiteren Bauteil 13 in Umfangsrichtung U gegen einen Durchfluss von Kühlmittel abgedichtet. Durch den Trennsteg 15 und die Dichtelemente 15E, 15F wird ein Austausch von Kühlmittel zwischen dem Strömungspfad 100 und dem in Umfangsrichtung U dazu benachbarten Strömungspfad 300 des Stators 3 in gewünschtem Umfang verhindert.
7 zeigt eine Seitenansicht des Trennsteges 15 und seine axiale Stirnseite 15G. Dabei ist in 7 neben der Längsnut 15K auch ein vorkragender Bereich 15M im Querschnitt dargestellt. Der Trennsteg 15 greift mit dem vorkragenden Bereich 15M formschlüssig in eine Längsnut 9F1 des Statorzahns 9F ein. Zusätzlich liegt auch zwischen dem Statorzahn 9G und dem Trennsteg 15 eine formschlüssige Verbindung vor, da der Statorzahn 9G mit einem vorkragenden Bereich 9G1 in die Längsnut 15K des Trennsteges 15 eingreift.
In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles besteht die Möglichkeit, die Stege 14 und 15 in der in 3 näher dargestellten Art und Weise mit dem weiteren Gehäuseteil 13 durch eine Verschraubung 20 fest zu verbinden. Zusätzlich können die Stege 14 und 15 mit dem weiteren Gehäuseteil 13 auch verschweißt werden.
Die elektrische Maschine 1 ist in vorbeschriebenem Umfang mit einer redundanten Kühlstruktur ausgeführt, die über die Trennstege 14, 15, die zwischen den Statorgeometrien bzw. in den Zwischenräumen 10A und 10F zwischen den Statorzähnen 9A und 9B bzw. 9F und 9G angeordnet sind, geschaffen wird. Dabei stellen die Trennstege 14 und 15 jeweils ein massives, geschlossenes Bauteil dar, das zudem nur geringe Wirbelstromverluste erzeugt, wenn eine entsprechend günstige Materialwahl getroffen wird.
Über die Trennstege 14 und 15 kann eine hundertprozentige hydraulische Trennung zwischen den verschiedenen Strömungspfaden 100, 200, 300 bzw. den Strömungswegen des Kühlmittels durch den Stator 3 erfolgen, die dann in separaten Kreisläufen des Kühlmittels redundant betrieben werden können.
Werden die Trennstege 14 und 15 beispielsweise auch aus einem SMC-Material hergestellt, sind die Trennstege massiv ausführbar und zudem während der Herstellung sehr gut und einfach zerspanbar. Dann ist die jeweils gewünschte geometrische Form auf einfache und kostengünstige Art und Weise herstellbar und es treten im Betrieb zusätzlich nur geringe Wirbelstromverluste auf.
Der Kühlmittel-Vorlauf 6 und der Kühlmittel-Rücklauf 8A können jeweils mit hydraulischen Stellgliedern ausgeführt sein, über die die separaten Strömungspfade 100, 200, 300 mit dem Kühlmittel-Kreislauf 5 getrennt voneinander verbindbar oder einzeln abgetrennt werden können. Damit kann auf einfache Art und Weise ein unerwünschter Kühlmittelverlust verhindert werden, wenn im Bereich eines Strömungspfades 100, 200, 300 beispielsweise über einen signifikant gegenüber weiteren Strömungspfaden abfallenden Druck eine Leckage erkannt wird.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Rotor
3: Stator
4: Achse
5: Kühlmittel-Kreislauf
6: Kühlmittel-Vorlauf
7: Kühler
8: Spaltrohr
8A: Kühlmittel-Rücklauf
9A bis 9G: Statorzahn
9A1: Längsnut des Statorzahns 9A
9B1: vorkragender Bereich des Statorzahns 9B
9F1: Längsnut des Statorzahns 9F
9G1: vorkragender Bereich des Statorzahns 9G
10A: Zwischenraum
10A1, 10A2: Teilzwischenraum
10B bis 10F: Zwischenraum
10F1, 10F2: Teilzwischenraum
11: axiales Gehäuseteil
12: axiales Gehäuseteil
13: weiteres Gehäuseteil
14: Trennsteg
14A: radiale Stirnseite des Trennsteges 14
14B: Innenseite des Trennsteges 14
14C, 14D: Längsnut des Trennsteges 14
14E, 14F: Dichtelement des Trennsteges 14
14G: Stirnseite des Trennsteges 14
14H: Seitenfläche des Trennsteges 14
14K: Längsnut des Trennsteges 14
14L: Seitenfläche des Trennsteges 14
14M: vorkragender Bereich des Trennsteges 14
15: Trennsteg
15A: radiale Stirnseite des Trennsteges 15
15B: Innenseite des Trennsteges 15
15C, 15D: Längsnut des Trennsteges 15
15E, 15F: Dichtelement des Trennstegs 15
15G: Stirnseite des Trennsteges 15
15H: Seitenfläche des Trennsteges 15
15K: Längsnut des Trennsteges 15
15L: Seitenfläche des Trennsteges 15
15M: vorkragender Bereich des Trennsteges 15
15N, 15P: Kühlkanal des Trennsteges 15
20: Verschraubung
100: Gruppe bzw. Strömungspfad
200: Gruppe bzw. Strömungspfad
300: Gruppe bzw. Strömungspfad
R: radiale Richtung des Stators
U: Umfangsrichtung des Stators
X: axiale Richtung des Stators

Claims

Elektrische Maschine (1) mit einem Stator (3), der mehrere umfangsseitig verteilt angeordnete und sich in axialer Richtung (X) des Stators (3) erstreckende Statorzähne (9A bis 9G) umfasst, wobei in Umfangsrichtung (U) des Stators (3) zwischen den Statorzähnen (9A bis 9G) Zwischenräume (10A bis 10F) vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung (U) des Stators (3) jeweils von zwei benachbarten Statorzähnen (9A und 9B, 9B und 9C, 9C und 9D, 9D und 9E, 9E und 9F, 9F und 9G), in axialer Richtung (X) des Stators (3) von Gehäuseteilen (11, 12) und in radialer Richtung (R) des Stators (3) von einem Spaltrohr (8) und von einem weiteren Gehäuseteil (13) begrenzt sind, wobei durch die Zwischenräume (10A bis 10F)jeweils Kühlmittel in axialer Richtung (X) des Stators (3) führbar ist, wobei in zumindest zwei der Zwischenräume (10A, 10F)jeweils ein Trennsteg (14, 15) vorgesehen ist, die die Zwischenräume (10A bis 10F) des Stators (3) in Umfangsrichtung (U) des Stators (3) in eine erste Gruppe von Zwischenräumen (1 0A1, 10B bis 10E, 1 0F1) und in eine zweite Gruppe von Zwischenräumen (10A2, 10F2) unterteilen, wobei die erste Gruppe der Zwischenräume (10A1, 10B bis 10E, 10F1) einen ersten Strömungspfad (100) und die zweite Gruppe der Zwischenräume (10A2, 10F2) einen zweiten Strömungspfad (200, 300) für das Kühlmittel bildet, und wobei die Strömungspfade (100, 200, 300) jeweils einen Kühlmittel-Vorlauf (6) mit einem Kühlmittel-Rücklauf (8A) verbinden und durch die Trennstege (14, 15) voneinander getrennt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstege (14, 15) aus nicht magnetischem Material hergestellt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung (R) des Stators (3) jeweils zwischen den Trennstegen (14, 15) und dem Spaltrohr (8) und zwischen den Trennstegen (14, 15) und dem weiteren Gehäuseteil (13) Dichteinrichtungen vorgesehen sind, über die die Strömungspfade (100, 200, 300) fluidisch gegeneinander abgedichtet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtungen jeweils ein Dichtelement (14E, 14F, 15E, 15F) umfassen, die jeweils in Längsnuten (14C, 14D, 15C, 15D) der Trennstege (14, 15) angeordnet sind und jeweils dichtend an den Trennstegen (14, 15) und dem Spaltrohr (8) und dichtend an den Trennstegen (14, 15) und dem weiteren Gehäuseteil (13) anliegen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Dichtelemente (14E, 14F) als O-Ring ausgeführt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Dichtelemente (15E, 15F) einen rechteckigen oder einen X-förmigen Querschnitt aufweist oder hohlzylindrisch ausgeführt ist.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Trennstege (15) mit wenigstens einem Kühlkanal (15N, 15P) ausgebildet ist, durch den Kühlmittel vom Kühlmittel-Vorlauf (6) zum Kühlmittel-Rücklauf (8A) führbar ist.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Trennstege (14, 15) mit wenigstens einer Messleitung ausgeführt ist.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Trennstege (14, 15) mit einer Heizpatrone ausgeführt ist.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume (10A1, 10B bis 10E, 10F1) der ersten Gruppe und/oder die Zwischenräume (10A2, 10F2) der zweiten Gruppe jeweils derart mit dem Kühlmittel-Vorlauf (6) und mit dem Kühlmittel-Rücklauf (8A) in Verbindung stehen, dass das Kühlmittel jeweils parallel durch die Zwischenräume (10A bis10F) geführt wird.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittel-Vorlauf (6), die Zwischenräume (10A1, 10B bis 10E, 10F1) der ersten Gruppe und der Kühlmittel-Rücklauf (8A) und/oder der Kühlmittel-Vorlauf (6), die Zwischenräume (10A2, 10F2) der zweiten Gruppe und der Kühlmittel-Rücklauf (8A) in Reihe geschaltet sind, sodass das Kühlmittel die Zwischenräume (10A1, 10B bis 10E, 10F1 und/oder 10A2, 10F2) der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe nacheinander durchströmt und die Zwischenräume (10A1, 10B bis 10E, 10F1) der ersten Gruppe und/oder die Zwischenräume (10A2, 10F2) der zweiten Gruppe einen mäanderförmigen Strömungspfad für das Kühlmittel bilden.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Trennstege (14, 15) mit dem weiteren Bauteil (13) verschweißt ist.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Trennstege (14, 15) mit einer Nut (14K, 15K) ausgeführt ist, die sich zumindest bereichsweise in axialer Richtung (X) in einer umfangsseitigen Seitenfläche (14H, 15H) des Trennsteges (14, 15) erstreckt und in die ein benachbarter Statorzahn (9B, 9G) mit einem Bereich (9B1, 9G1) formschlüssig eingreift.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Statorzähne (9A, 9F) mit einer Nut (9A1, 9F1) ausgeführt ist, die sich zumindest bereichsweise in axialer Richtung (X) in einer umfangsseitigen Seitenfläche des Statorzahns (9A, 9F) erstreckt und in die ein benachbarter Trennsteg (14, 15) mit einem Bereich (14M, 15M) formschlüssig eingreift.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorstehend genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennsteg (14, 15) formschlüssig in eine radiale Ausnehmung des weiteren Gehäuseteils (13) eingreift.