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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Statorkörper mit einer Mehrzahl von umfänglich verteilten und axial durch den Statorkörper verlaufenden Kühlkanälen, wobei umfänglich benachbarte Kühlkanäle jeweils durch einen sich in radialer Richtung erstreckenden Steg beabstandet sind. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine.
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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 koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist. 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 notwendigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Kühlfluide, wie beispielsweise Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.
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Zur Führung von derartigen Kühlfluiden werden in den Statoren entsprechende Kühlkanäle vorgesehen. In vielen Anwendungen wird dann ein mit solchen Kühlkanälen versehener Stator in eine Anbindungsstruktur, wie beispielsweise einen Statorträger und/oder ein Motorgehäuse eingepresst, so dass der Statorkörper hierdurch eine in radialer Richtung wirkende Druckbeaufschlagung erfährt. Durch diese Pressung der Oberfläche des Statorkörpers in Radialrichtung, bilden sich im Statorkörper Druckspannungen in tangentialer Richtung aus.
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Es ist grundsätzlich bekannt, dass derartige Druckspannungen in Elektroblechen von Statoren die Verlustdichte stark erhöhen können und sich auch negativ auf die elektromagnetische Permeabilität auswirkt, und somit auch auf den Widerstand im magnetischen Kreis.
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Um diese Problematik zu umgehen, sind aus dem Stand der Technik beispielsweise segmentierte Statoren bekannt geworden, wie es beispielsweise in der
US2011248598A gezeigt ist.
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Durch das Einbringen von Kühlkanälen in einen Statorblechschnitt wird das Joch in zwei Bereiche aufgeteilt, den Bereich radial außerhalb der Kühlkanäle und den Bereich radial innerhalb der Kühlkanäle. In derartigen Blechschnitten, wie sie aus dem Stand der Technik, wie in der 4 gezeigt, bekannt sind, sind die Kühlkanäle so ausgeführt, dass radiale Verbindungsstege zwischen diesen beiden Bereichen überbleiben, z.B. durch rechteckige oder runde Kühlkanalgeometrien. Eine radiale Verbindung dieser beiden Bereiche sorgt dafür, dass die Anbindung in radialer Richtung die maximale Steifigkeit (Belastung auf Zug/Druck) und in umfänglicher Richtung geringere Steifigkeit (Belastung auf Biegung und Querkraftschub) aufweist. Dies bedeutet, dass die durch das Übermaß bzw. die Normalspannung an den Zylinderflächen vorgegebene Verformung vom äußeren zum inneren Teil fast vollständig weitergereicht wird. Mit der weitergereichten Verformung geht auch eine Weiterreichung der Druckspannungen einher.
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Bei Statoren, die beispielsweise per Querpressverband mit einem Gehäuse oder Statorträger verbunden werden, tritt daher ein Zielkonflikt auf. Zum einen soll das Drehmoment der elektrischen Maschine sicher vom Statorkörper auf den Statorträger oder das Gehäuse übertragen werden, zum anderen sollen die Verluste in der elektrischen Maschine, darunter auch die Eisenverluste im Statorjoch, auf ein Minimum reduziert werden, um Effizienzanforderungen erfüllen zu können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Stator bereitzustellen, der ein hohes Drehmoment übertragen kann sowie geringe Eisenverluste und eine effiziente Kühlung aufweist. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung eine entsprechend optimierte elektrische Maschine zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Statorkörper mit einer Mehrzahl von umfänglich verteilten und axial durch den Statorkörper verlaufenden Kühlkanälen, wobei umfänglich benachbarte Kühlkanäle jeweils durch einen sich in radialer Richtung erstreckenden Steg beabstandet sind, wobei die Stege jeweils in einem Winkel zu einer durch den jeweiligen Steg verlaufenden Radialebene ausgerichtet sind.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine wesentlich weniger radialdrucksteife, gleichzeitig aber drehmomentübertragungsfähige radiale Verbindung zwischen den radial inneren und äußeren Bereichen der Kühlkanäle realisiert werden kann. Hierdurch kann eine Absenkung der Eisenverlustdichte im Statorjoch durch die Absenkung der Druckspannungen im eingepressten Zustand des Statorkörpers bewirkt werden. Ferner kann eine Absenkung der Kupferverluste durch Erhöhung der Permeabilität im Statorjoch durch die erzielte Absenkung der Druckspannungen im eingepressten Zustand erreicht werden. Auch ist es durch den erfindungsgemäßen Stator ermöglicht, eine Absenkung der Sensitivität der Motoreffizienz bezüglich des tatsächlich vorliegenden Übermaßes beim Querpressverband zu erreichen, wodurch wiederum Einsparungen von Werkzeugnacharbeiten und bei Fertigungsprozessen durch größere Toleranzen der am Querpressverband beteiligten Teile realisiert werden können.
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Erfindungsgemäß werden die Stege schräg , also jeweils in einem Winkel zu einer durch den jeweiligen Steg verlaufenden Radialebene ausgerichtet. Anders ausgedrückt, sind die Stege als gedachte Linie windschief zur Motorachse ausgeführt.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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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 bevorzugt 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 eine oder mehrere Statorwicklung(en) eingelassen. Eine Statorwicklung umfasst einen elektrisch leitfähigen Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als seine Quererstreckung quer zur Längserstreckung. Der elektrische Leiter 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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Die Statorwicklung kann beispielsweise als Wellenwicklung oder Hairpinwicklung ausgebildet sein.
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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 Bestandteile 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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Das Kühlfluid kann beispielsweise ein Kühlöl oder eine Wasser-Glykol-Mischung sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass zum einen die Kühlung verbessert als auch die Eisenverluste weiter reduziert werden können.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle im Wesentlichen äquidistant über den Umfang positioniert sind, was ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Kühlleistung sowie die Reduktion der Eisenverluste haben kann.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl der Kühlkanäle, bevorzugt alle Kühlkanäle im Querschnitt eine trapezförmige Kontur aufweisen, was sich als eine besonders günstige Kontur hinsichtlich der Kühlleistung und der gewünschten Reduktion der Eisenverluste erwiesen hat. Ferner hat dies den Vorteil, dass sich durch die gleiche Form aller Kühlkanäle, die Anzahl der Gleichteile bei den Stempeln und Matrizen, also bei den Stanzwerkzeugen, erhöht und damit die Lagerhaltung minimiert und der Teilekatalog minimiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl der Kühlkanäle, bevorzugt alle Kühlkanäle im Querschnitt eine parallelogrammartige Kontur aufweisen, was ebenfalls eine gute Reduktion der Eisenverluste erzielen kann.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass eine Mehrzahl der Kühlkanäle, bevorzugt alle Kühlkanäle im Querschnitt eine dreiecksförmige Kontur aufweisen. Auch diese Kontur kann eine gute Reduzierung der Eisenverluste unter Beibehaltung einer guten Kühlleistung erzielen.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Stator für eine elektrische Radialflussmaschine konfiguriert ist. Höchst bevorzugt ist die Radialflussmaschine als Innenläufer ausgeführt.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Stator in einem Statorträger aufgenommen ist. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Stator mittels einer Presspassung in dem Statorträger fixiert ist.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Statorkörper auch direkt in ein Motorgehäuse gepresst wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator nach einem der vorherigen Ansprüche und einen drehbar zum Stator gelagerten Rotor.
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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 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
- 2 eine elektrische Maschine in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 3 ein Statorkörper eines erfindungsgemäßen Stators in einer Querschnittsdarstellung,
- 4 ein Statorkörper eines aus dem Stand der Technik bekannten Stators in einer Querschnittsdarstellung.
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Die Erfindung wird anhand einer elektrischen Maschine 2 für einen elektrischen Antriebsstrang 3 eines Kraftfahrzeugs 4 beispielhaft erläutert. Ein derartiges Kraftfahrzeug ist in der 1 skizziert.
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2 zeigt die elektrische Maschine 2 in einer Axialschnittdarstellung. Man erkennt den Stator 1 der elektrischen Maschine 2, umfassend einen Statorkörper 5 mit einer Mehrzahl von umfänglich verteilten und axial durch den Statorkörper 5 verlaufenden Kühlkanälen 6, was sich auch gut aus der Zusammenschau mit der 3 nachvollziehen lässt. Der Stator 1 ist für die gezeigte elektrische Radialflussmaschine konfiguriert und in einem Statorträger 10 mittels einer Presspassung aufgenommen. Koaxial und drehbar zum Stator 1 ist ein Rotor 11 in dem hohlzylindrischen Statorkörper 5 aufgenommen.
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Umfänglich benachbarte Kühlkanäle 6 sind jeweils durch einen sich in radialer Richtung erstreckenden Steg 7 beabstandet, wobei die Stege 7 jeweils in einem Winkel 9 zu einer durch den jeweiligen Steg 7 verlaufenden Radialebene 8 ausgerichtet sind. Die Kühlkanäle 6 wurden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf einem gemeinsamen Teilkreis und sind im Wesentlichen äquidistant über den Umfang positioniert. Wie in der 3 dargestellt, weisen alle Kühlkanäle 6 im Querschnitt eine trapezförmige Kontur auf.
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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
- Antriebsstrang
- 4
- Kraftfahrzeug
- 5
- Statorkörper
- 6
- Kühlkanälen
- 7
- Steg
- 8
- Radialebene
- 9
- Winkel
- 10
- Statorträger
- 11
- Rotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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