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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet elektrischer Maschinen und insbesondere eine Wärmebrücke, die einen Statorkern mit einem Gehäuse der elektrischen Maschine verbindet, um die Wärmeenergieableitung zu fördern.
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Elektrische Maschinen enthalten einen Stator, der an einer Innenoberfläche eines Gehäuses getragen ist, und einen Rotor, der innerhalb des Stators positioniert ist. Der Stator enthält Statorwicklungen, die unter Strom gesetzt werden, um innerhalb des Rotors ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld veranlasst, dass der Rotor rotiert und Leistung erzeugt. Während des Betriebs erzeugen der Stator und der Rotor Wärme. Um die durch eine elektrische Maschine erzeugte Wärme zu verringern, werden verschiedene Systeme einschließlich des Leitens einer Luftströmung durch das Gehäuse oder des Einbauens von Kühlmittelmänteln in das Gehäuse genutzt.
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US 5 196 749 A offenbart eine Stütz- und Positionierungsstruktur für eine Stator-Baugruppe einer dynamoelektrischen Maschine vom Induktor-Typ mit Wärmebrücken.
EP 3 605 805 A1 offenbart einen Motor mit Wärmebrücken und ein Verfahren zur Herstellung des Motors.
US 2011 / 0 234 028 A1 offenbart einen Rotationselektromotor.
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In bestimmten elektrischen Maschinen wie etwa Axialflussmaschinen ist es erwünscht, durch die Verwendung von Materialien mit sehr niedriger Permeabilität für das Gehäuse den Flussstreuverlust zu verringern. Ferner kann zwischen Statorwicklungen und dem Gehäuse häufig ein Isolator wie etwa Epoxidharz vorhanden sein. Materialien wie etwa Epoxidharz weisen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf. Somit kann die Wärmeübertragung zwischen den Statorwicklungen und dem Gehäuse verringert sein. Dementsprechend ist es die Aufgabe, zwischen Statorwicklungen und einem umgebenden Gehäuse einen Wärmeflussweg zu erzeugen, um die Wärmeabgabe zu verbessern, ohne den Flussstreuverlust zu erhöhen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale enthält der Statorkern eine erste Seite und eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, wobei die Wärmebrücke ein erstes Wärmebrückenorgan, das zwischen der ersten Seite und der Innenoberfläche verläuft, und ein zweites Wärmebrückenorgan, das zwischen der zweiten Seite und der Innenoberfläche verläuft, enthält.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale enthalten die mehreren Statorwicklungen mehrere Spulen, wobei jede der mehreren Spulen zwischen dem ersten Wärmebrückenorgan und dem zweiten Wärmebrückenorgan positioniert ist.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale enthält jedes der mehreren einzelnen Wärmebrückenelemente eine gleichförmige Umfangsbreite.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist die Wärmebrücke aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 100 W/m-°C gebildet.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale enthält die Wärmebrücke eine magnetische Permeabilität von höchstens einem Zehntel (1/10) derjenigen eines Materials, das das Gehäuse bildet.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale weist die Wärmebrücke eine axiale Dicke zwischen etwa 1 mm und etwa 2 mm auf.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist der Statorkern aus mehreren einzelnen Segmenten gebildet, wobei jedes der mehreren einzelnen Segmente durch ein entsprechendes Wärmebrückenorgan mit der Innenoberfläche des Gehäuses verbunden ist.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale ist durch einen Spalt von dem Statorkern beabstandet an einer Welle in dem Gehäuse ein Rotor angebracht ist, wobei die Welle eine Drehachse des Rotors definiert.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale verläuft der Spalt im Wesentlichen parallel zu der Drehachse.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale erzeugt die Drehung des Rotors relativ zu dem Stator einen magnetischen Fluss mit einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu der Drehachse ist.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale enthält das Gehäuse einen Kühlmittelmantel, der einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass enthält.
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Außerdem wird in Übereinstimmung mit einem nicht einschränkenden Beispiel eine Wärmebrücke für eine elektrische Maschine offenbart, die ein Organ enthält, das aus einem nichtmagnetischen Material gebildet ist, das dafür konfiguriert ist, zwischen und in Kontakt mit einem Statorkern und einer Innenoberfläche des Maschinengehäuses angeordnet zu werden. Das Organ enthält mehrere einzelne Wärmebrückenelemente.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale enthält die Wärmebrücke ein Trägerelement, enthält jedes der mehreren einzelnen Wärmebrückenelemente ein erstes Ende, das mit dem Trägerelement verbunden ist, und ein zweites Ende, wobei das zweite Ende eine Umfangsbreite enthält, die größer als eine Umfangsbreite des ersten Endes ist.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der hier beschriebenen Merkmale enthält die Wärmebrücke ein erstes Trägerelement und ein zweites Trägerelement, wobei die mehreren einzelnen Wärmebrückenelemente zwischen dem ersten Trägerelement und dem zweiten Trägerelement verlaufen.
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Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung gehen leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung hervor, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten erscheinen nur beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht; es zeigen:
- 1 eine axiale Stirnansicht einer elektrischen Maschine, die eine Wärmebrücke enthält, gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel;
- 2 eine perspektivische Teilquerschnittsansicht der elektrischen Maschine aus 1 entlang der Linie 2-2 gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel;
- 3 eine Draufsicht einer Wärmebrücke in dem Kreis 3 in 1 gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel (nicht beansprucht); und
- 4 eine Draufsicht einer Wärmebrücke gemäß einem anderen nicht einschränkenden Beispiel.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Selbstverständlich bezeichnen einander entsprechende Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche oder einander entsprechende Teile und Merkmale.
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In 1 ist eine elektrische Maschine gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel allgemein bei 10 gezeigt. Die elektrische Maschine 10 enthält ein Gehäuse 12, das einen Kühlmittelmantel 14 trägt. Das Gehäuse 12 enthält eine Außenoberfläche 16 und eine Innenoberfläche 18, zwischen denen mehrere Durchlässe 20, 2, die den Kühlmittelmantel 14 definieren, gebildet sind. Ferner enthält das Gehäuse 12 einen Kühlmitteleinlass 22 und einen Kühlmittelauslass 24. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel wird ein Kühlmittel wie etwa Öl durch den Kühlmitteleinlass 22 geleitet, durch den Kühlmittelmantel 14 umgewälzt, um Wärme aufzunehmen, und daraufhin von dem Kühlmittelauslass 24 geleitet, wo das Kühlmittel behandelt wird, um aufgenommene Wärme zu entfernen.
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Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel ist innerhalb des Gehäuses 12 ein Stator 30 angeordnet. Der Stator 30 enthält einen Statorkern 32, der aus mehreren Statorsegmenten 34 gebildet sein kann. Der Stator 30 enthält eine radial nach außen weisende Oberfläche 36 und eine radial nach innen weisende Oberfläche 38. Die radial nach innen weisende Oberfläche 38 definiert einen Durchlass 40. Außerdem enthält der Stator 7 eine erste axial weisende Seite 44 und eine zweite axial weisende Seite 46, die der ersten axial weisenden Seite 44 gegenüberliegt. Jedes Statorsegment 34 enthält eine Spule 48, die einen Teil mehrerer Statorwicklungen bildet. Die Spule 48 ist zwischen der ersten axial weisenden Seite 44 und der zweiten axial weisenden Seite 46 angeordnet.
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Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel ist benachbart zu dem Stator 30 ein Rotor 50 angeordnet. Der Rotor 50 ist an einer Welle 52 angebracht, die durch den Durchlass 40 verläuft und eine Drehachse „A“ definiert. Der Rotor 50 ist durch einen Spalt 54, der entlang der Drehachse „A“ verläuft, von dem Stator 30 beabstandet. Der Rotor 50 ist relativ zu dem Stator 30 drehbar. Das heißt, ein elektrischer Strom, der durch den Stator 30 geht, entwickelt ein Magnetfeld, das den Rotor 50 dreht. Das Magnetfeld geht entlang einer Achse, die im Wesentlichen parallel zu der Drehachse „A“ ist. Somit definiert die elektrische Maschine 10 einen Axialflussmotor 60. Allerdings ist zu verstehen, dass andere Motoranordnungen aus den hier beschriebenen nicht einschränkenden Beispielen ebenfalls Nutzen ziehen können.
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Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel verläuft zwischen dem Statorkern 32 und der Innenoberfläche 18 des Gehäuses 12 eine Wärmebrücke 62. Wie hier ausführlich dargestellt ist, leitet die Wärmebrücke 62 Wärme von dem Statorkern 32 in Richtung der Innenoberfläche 18 und in das durch den Kühlmittelmantel 14 strömende Kühlmittel. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel enthält die Wärmebrücke 62 ein erstes Wärmebrückenorgan 64, das zwischen der radial nach außen weisenden Oberfläche 36 auf der ersten Seite 44 und der Innenoberfläche 18 verläuft, und ein zweites Wärmebrückenorgan 66, das zwischen der radial nach außen weisenden Oberfläche 36 auf der zweiten Seite 46 und der Innenoberfläche 18 verläuft. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel enthält jedes der mehreren Statorsegmente 34 ein entsprechendes erstes und zweites Wärmebrückenorgan 64 und 66.
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Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel ist jedes Wärmebrückenorgan 64 und 66 aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 100 W/m °C gebildet. Gemäß einem anderen nicht einschränkenden Beispiel enthält jedes Wärmebrückenorgan 64 und 66 eine magnetische Permeabilität von nicht mehr als einem Zehntel (1/10) der magnetischen Permeabilität des Materials, das das Gehäuse bildet. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel ist jedes Wärmebrückenorgan 64 und 66 aus Aluminium gebildet.
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Bei der Beschreibung des ersten Wärmebrückenorgans 64 wird nun Bezug genommen auf 3 (nicht beansprucht), wobei zu verstehen ist, dass das zweite Wärmebrückenorgan 66 eine ähnliche Struktur enthalten kann. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel enthält das Wärmebrückenorgan 64 ein Trägerelement 71 und mehrere einzelne Wärmebrückenelemente 73. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel liegt das Trägerelement 71 an der Innenoberfläche 18 des Gehäuses 12 an, die einem der mehreren Statorsegmente 34 gegenüberliegt. Jedes der mehreren einzelnen Wärmebrückenelemente 73 geht von dem Trägerelement 71 aus und ist mit der radial nach außen weisenden Oberfläche 36 des einen der mehreren Statorsegmente 34 in Eingriff.
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Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel (nicht beansprucht) enthält jedes der mehreren einzelnen Wärmebrückenelemente 73 ein erstes Ende 77 und ein zweites Ende 79, das dem ersten Ende 77 gegenüberliegt. Das erste Ende 77 ist mit dem Trägerelement 71 gekoppelt. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel (nicht beansprucht) ist das erste Ende 77 mit dem Trägerelement 71 einteilig gebildet. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel (nicht beansprucht) enthält das zweite Ende 79 eine allgemein dreieckige Form, die eine erste und eine zweite angewinkelte Seite (nicht getrennt bezeichnet) enthält, die mit einem Träger (ebenfalls nicht getrennt bezeichnet) verbunden sind. Der Begriff dreieckige Form ist so zu verstehen, dass er bedeutet, dass das zweite Ende 79 eine Umfangsdimension enthält, die größer als eine Umfangsdimension des ersten Endes 77 ist. Die dreieckige Form stellt zwischen jedem Wärmebrückenorgan 64 und der entsprechenden radial nach außen weisenden Oberfläche 36 der mehreren Statorsegmente 34 eine erhöhte Berührungsfläche bereit. Außerdem verringert die Verwendung mehrerer einzelner Wärmebrückenelemente 73 die Wirbelstromentwicklung in jedem Wärmebrückenelement 64.
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Bei der Beschreibung eines Wärmebrückenorgans 86 gemäß einem anderen nicht einschränkenden Beispiel wird nun Bezug genommen auf 4. Das Wärmebrückenorgan 86 enthält ein erstes Trägerelement 88, ein zweites Trägerelement 90 und mehrere einzelne Wärmebrückenelemente 92, die zwischen dem ersten Trägerelement 88 und dem zweiten Trägerelement 90 verlaufen und mit ihnen verbunden sind. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel sind das erste Trägerelement 88, das zweite Trägerelement 90 und die mehreren einzelnen Wärmebrückenelemente 92 einteilig gebildet. Das erste Trägerelement 88 liegt auf der Innenoberfläche 18 des Gehäuses 12 auf. Das zweite Trägerelement 90 liegt auf der radial nach außen weisenden Oberfläche 36 des Statorkerns 32 auf. Das erste und das zweite Trägerelement 88 und 90 erhöhen die Berührungsfläche in Bezug auf die Innenoberfläche 18 bzw. die radial nach außen weisende Oberfläche 36, um die Wärmeübertragung zu erhöhen. In einer ähnlichen Weise wie hier diskutiert ist, verringert die Verwendung mehrerer einzelner Wärmebrückenelemente 92 die Wirbelstromentwicklung in jedem Wärmebrückenorgan 86.
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Obwohl die obige Offenbarung anhand beispielhafter Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente für Teile davon ersetzt werden können, ohne von ihrem Schutzumfang abzuweichen. Zusätzlich können viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen. Somit soll die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern alle Ausführungsformen, die in ihrem Schutzumfang liegen, enthalten.
