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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft elektrische Maschinen und insbesondere die Kühlung elektrischer Maschinen.
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In einem Typ eines Elektromotors, einem Axialflussmotor, sind der Rotor und der Stator in einem Stapel entlang einer Maschinenachse angeordnet und treibt ein axial gerichteter Magnetfluss zwischen dem Stator und dem Rotor die Drehung des Motors um die Maschinenachse an. Die leitfähigen Wicklungen des Stators sind in einem Epoxidharzmaterial vergossen, um für die Wicklungen eine strukturelle Stützung bereitzustellen. Die Wicklungen erzeugen während des Betriebs des Motors Wärme und erfordern eine Kühlung, um einen sicheren und effizienten Betrieb sicherzustellen. Üblicherweise sind in dem Motorgehäuse, in dem der Rotor und der Stator liegen, Kühlkanäle vorgesehen, wobei aber das als Verguss verwendete Epoxidharzmaterial eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und beim Entfernen von Wärme von den Wicklungen unwirksam ist und effektiv als ein Wärmeisolator der Wicklungen wirkt. Dies begrenzt die Wirksamkeit der Gehäusekühlkanäle.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Stator einer elektrischen Maschine einen Statorkern, mehrere elektrisch leitfähige Wicklungen, die an dem Statorkern befestigt sind, und ein Volumen eines Vergussmaterials zum Tragen der mehreren elektrisch leitfähigen Wicklungen an dem Statorkern. In dem Volumen des Vergussmaterials sind ein oder mehrere Statorkühlmittelkanäle definiert, um eine Strömung des Statorkühlmittels dadurch zu befördern, um Wärme von den mehreren elektrisch leitfähigen Wicklungen zu entfernen.
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Zusätzlich oder alternativ berühren der eine oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen die mehreren elektrisch leitfähigen Wicklungen.
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Zusätzlich oder alternativ ist das Volumen des Vergussmaterials gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen ein Epoxidharzmaterial.
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Zusätzlich oder alternativ verlaufen der eine oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen in Umfangsrichtung um den Stator.
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Zusätzlich oder alternativ ist gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen eine Anordnung eines Opfermaterials in das Volumen des Vergussmaterials eingebettet, um den einen oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle zu definieren. Der eine oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle sind durch Entfernen des Opfermaterials gebildet worden.
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Zusätzlich oder alternativ ist das Opfermaterial gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen durch Verbrennen und/oder Erwärmen und/oder Auflösen des Opfermaterials entfernt worden.
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Zusätzlich oder alternativ ist die Strömung des Statorkühlmittels gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen elektrisch nichtleitend.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält eine elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator, der mit dem Rotor elektromagnetisch zusammenwirkt, um die Drehung des Rotors um die Mittelachse anzutreiben. Der Stator enthält einen Statorkern, mehrere elektrisch leitfähige Wicklungen, die an dem Statorkern befestigt sind, und ein Volumen eines Vergussmaterials zum Tragen der mehreren elektrisch leitfähigen Wicklungen an dem Statorkern. In dem Volumen des Vergussmaterials sind ein oder mehrere Statorkühlmittelkanäle definiert, die dafür konfiguriert sind, eine Strömung des Statorkühlmittels dadurch zu befördern, um Wärme von den mehreren elektrisch leitfähigen Wicklungen zu entfernen.
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Zusätzlich oder alternativ berühren der eine oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen die mehreren elektrisch leitfähigen Wicklungen.
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Zusätzlich oder alternativ ist das Volumen des Vergussmaterials gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen ein Epoxidharzmaterial.
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Zusätzlich oder alternativ verlaufen der eine oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen in Umfangsrichtung um den Stator.
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Zusätzlich oder alternativ ist gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen eine Anordnung eines Opfermaterials in das Volumen des Vergussmaterials eingebettet, um den einen oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle zu definieren. Der eine oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle sind durch Entfernen des Opfermaterials gebildet worden.
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Zusätzlich oder alternativ ist das Opfermaterial gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen durch Verbrennen und/oder Erwärmen und/oder Auflösen des Opfermaterials entfernt worden.
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Zusätzlich oder alternativ befinden sich der Rotor und der Stator gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen in einem Maschinengehäuse.
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Zusätzlich oder alternativ sind gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen in dem Maschinengehäuse ein oder mehrere Gehäusekühlmittelkanäle definiert.
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Zusätzlich oder alternativ ist die elektrische Maschine gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen eine elektrische Axialflussmaschine.
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Gemäß einer abermals anderen Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Bilden eines Stators einer elektrischen Maschine das Anordnen mehrerer elektrisch leitfähiger Wicklungen an einem Statorkern, das Auftragen eines Volumens eines Vergussmaterials auf die mehreren elektrisch leitfähigen Wicklungen und das Definieren eines oder mehrerer Statorkühlmittelkanäle in dem Volumen des Vergussmaterials. Der eine oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle sind dafür konfiguriert, eine Strömung des Statorkühlmittels dadurch zu befördern, um Wärme von den mehreren elektrisch leitfähigen Wicklungen zu entfernen.
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Zusätzlich oder alternativ wird gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen ein erster Teils des Volumens des Vergussmaterials aufgetragen, auf dem ersten Teil des Volumens des Vergussmaterials ein Opfermaterial angeordnet, ein zweiter Teils des Volumens des Vergussmaterials aufgetragen und das Opfermaterial entfernt, um den einen oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle zu definieren.
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Zusätzlich oder alternativ wird das Opfermaterial gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen durch Verbrennen und/oder Erwärmen und/oder Auflösen des Opfermaterials entfernt.
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Zusätzlich oder alternativ berühren gemäß dieser oder anderen Ausführungsformen der eine oder die mehreren Statorkühlmittelkanäle die mehreren elektrisch leitfähigen Wicklungen.
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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 perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform einer elektrischen Maschine;
- 2 eine perspektivische Ansicht eine Ausführungsform eines Stators der elektrischen Maschine aus 1;
- 3 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Stators einer elektrischen Maschine;
- 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer elektrische Maschine bei dem Kreis 4 aus 3;
- 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bilden eines Stators;
- 6 eine perspektivische Ansicht eines Stators mit einem ersten Teil eines Vergussmaterials, das an dem Stator angebracht ist;
- 7 eine perspektivische Ansicht eine Stators mit einem Opfermaterial, das einen oder mehrere an dem Stator angebrachte Statorkühlmittelwege definiert; und
- 8 eine perspektivische Ansicht, die einen zweiten Teil eines Vergussmaterials, das das Opfermaterial einschließt, darstellt.
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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 Ausführungsform eines Elektromotors 10, insbesondere eines Axialflusselektromotors 10, dargestellt. Der Elektromotor 10 enthält einen Rotor 12, der sich an einer Maschinenmittelachse 14 befindet und der um die Mittelachse 14 drehbar ist, und einen Stator 16, der, wenn er unter Strom gesetzt ist, mit dem Rotor 12 elektromagnetisch zusammenwirkt, was die Drehung des Rotors 12 um die Mittelachse 14 veranlasst. Der Rotor 12 ist mit einer Rotorwelle 18, die bei der Drehung um die Mittelachse 14 durch die Drehung des Rotors 12 angetrieben wird, funktional verbunden. Die Rotationsenergie der Rotorwelle 18 kann verwendet werden, um eine oder mehrere Komponenten 20 oder Systeme, die mit der Rotorwelle 18 funktional verbunden sind, entweder direkt oder indirekt anzutreiben.
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In dem Elektromotor 10 aus 1 enthält der Rotor 12 ein erstes Rotorelement 22, das sich auf einer ersten axialen Seite des Stators 16 befindet, und ein zweites Rotorelement 24, das sich auf einer zweiten axialen Seite des Stators 16, die der ersten axialen Seite gegenüberliegt, befindet. Jedes Rotorelement 22, 24 enthält einen Rotorkern 26 und mehrere Permanentmagneten 28, die in dem Rotorkern 26 angeordnet sind. Der Stator 16 befindet sich auf der Mittelachse 14, axial zwischen dem ersten Rotorelement 22 und dem zweiten Rotorelement 24. Nun anhand von 2 ist ein beispielhafter Stator 16 dargestellt. Der Stator 16 enthält einen Statorkern 30 und mehrere leitfähige Wicklungen 32, die um den Statorkern 30 angeordnet sind. Zu dem Stator 16 ist ein Volumen eines Vergussmaterials 36 wie etwa eines Epoxidharzmaterials hinzugefügt, um für die leitfähigen Wicklungen 32 um den Statorkern 30 eine strukturelle Stützung bereitzustellen.
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Nun wieder anhand von 1 sind der Stator 16 und die Rotorelemente 22, 24 mit einem axialen Luftspalt 38 zwischen dem Stator 16 und dem jeweils benachbarten Rotorelement 22, 24 entlang der Mittelachse 14 angeordnet. Die leitfähigen Wicklungen 32 des Statorkerns 30 sind mit einer elektrischen Leistungsquelle 40 verbunden. Wenn die leitfähigen Wicklungen 32 von der elektrischen Leistungsquelle 40 unter Strom gesetzt sind, wirkt der Magnetfluss der unter Strom gesetzten leitfähigen Wicklungen 32 über den Luftspalt 38 mit den Rotorpermanentmagneten 28 zusammen, um die Drehung des Rotors 12 um die Mittelachse 14 anzutreiben. Nun anhand von 3 sind der Rotor 12 und der Stator 16 in einem Motorgehäuses 42 angeordnet, das in Umfangsrichtung um den Rotor 12 und den Stator 16 verläuft. Der Stator 16 ist relativ zu dem Motorgehäuses 42 drehfest und ist gemäß einigen Ausführungsformen an dem Motorgehäuses 42 befestigt. In dem Motorgehäuse 42 sind ein oder mehrere Gehäusekühlkanäle 44 gebildet, wobei diese von einem Kanaleinlass 46 zu einem Kanalauslass 48 verlaufen. Durch den einen oder die mehreren Gehäusekühlmittelkanäle 44 wird ein Kühlmittel wie etwa ein Glykolkühlmittel oder dergleichen strömen gelassen, um Wärmeenergie von dem Elektromotor 10 zu entfernen.
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Nun anhand von 4 enthält der Stator 16 Merkmale zum Entfernen zusätzlicher Wärmeenergie von den leitfähigen Wicklungen 32. In dem Vergussmaterial 36 sind ein oder mehrere Statorkühlmittelkanäle 50 gebildet, wobei sie gemäß einigen Ausführungsformen mit den leitfähigen Wicklungen 32 in direkter Berührung stehen. Die Statorkühlmittelkanäle 50 verlaufen von einem Statorkühlmitteleinlass 52 zu einem Statorkühlmittelauslass 54 und ein Statorkühlmittel strömt durch die Statorkühlmittelkanäle 50, um Wärmeenergie von den leitfähigen Wicklungen 32 zu entfernen. Das Statorkühlmittel ist ein nicht elektrisch leitfähiges Fluid wie etwa ein Automatikgetriebefluid (ADF) für ein Fahrzeug oder dergleichen. Die Statorkühlmittelkanäle 50 ermöglichen die direkte Kühlung der leitfähigen Wicklungen 32 und verbessern somit die Effizienz der Kühlung des Stators 16 und des Elektromotors 10 als Ganzes.
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Nun anhand von 5-8 wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden eines Stators 16, der die Statorkühlmittelkanäle 50 enthält, beschrieben. Zunächst werden in dem Schritt 100, wie in 5 gezeigt ist, an dem Statorkern 30 die leitfähigen Wicklungen 32 angebracht. Es folgt ein mehrstufiges Vergussmaterial 36, in dem in dem Schritt 102, wie ebenfalls in 6 gezeigt ist, ein erster Teil des Volumens des Vergussmaterials 36 an dem Stator 16 angebracht wird. Nachfolgend wird in dem Schritt 104 und wie ebenfalls in 7 gezeigt ist, an dem Stator 16 ein Opfermaterial 56 angebracht. Das Opfermaterial 56 definiert einen Weg der Statorkühlmittelkanäle 50. Daraufhin wird in dem Schritt 106, wie ebenfalls in 8 gezeigt ist, ein zweiter Teil des Volumens des Vergussmaterials 36, der das Volumen des Opfermaterials 56 einschließt, angebracht. In dem Schritt 108 wird das Opfermaterial 56 von dem Stator 16 entfernt, was die in dem Volumen des Vergussmaterials 36 definierten Statorkühlmittelkanäle 50 zurücklässt. Obwohl hier ein erster Teil und ein zweiter Teil des Volumens des Vergussmaterial 36 beschrieben sind, erkennt der Fachmann auf dem Gebiet leicht, dass beim Bilden des Stators 16 zusätzliche Teile des Volumens des Vergussmaterials 36 genutzt werden können.
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Das Opfermaterial 56 kann z. B. ein brennbares Opfermaterial 56 sein, das durch Verbrennen des Opfermaterials 56 und Ausstoßen eines Abgases der Verbrennung aus den Statorkühlmittelkanälen 50 entfernt wird. Das Opfermaterial 56 kann ein thermisch depolymerisierbares oder schmelzbares Material wie etwa eine Legierung oder ein Polymer mit niedriger Schmelztemperatur wie etwa ein Wachs- oder Paraffinmaterial sein. Derartige Opfermaterialien 56 werden durch Anwenden von Wärme auf den Stator 16, sodass das Opfermaterial 56 schmilzt, das aus den Statorkühlmittelkanälen 50 ausgegossen oder auf andere Weise entfernt werden kann, entfernt. Gemäß anderen Ausführungsformen ist das Opfermaterial 56 ein wasserlösliches Material, das durch Spülen der Statorkühlmittelkanäle 50 mit Wasser, sodass das Opfermaterial 56 aufgelöst und entfernt wird und die Statorkühlmittelkanäle 50 zurückbleiben, entfernt werden kann.
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Die hier beschriebenen Konfigurationen des Stators 16 enthalten die Statorkühlmittelkanäle 50, die in das Volumen des Vergussmaterials 36 in dem Stator 16 eingebettet sind, die die Kühleffizienz des Stators 16 und somit die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine 10 stark verbessern. Dies wird dadurch erzielt, dass die Strömung des Kühlmittelmediums um die leitfähigen Wicklungen 32 erhöht wird und außerdem die Strömung des Statorkühlmittels näher und gemäß einigen Ausführungsformen in direkter Berührung mit den leitfähigen Wicklungen 32 gebracht wird, um die Kühlung der leitfähigen Wicklungen 32 zu verbessern.
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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 Elemente 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.
