DE102022207889A1

DE102022207889A1 - Stator für eine elektrische Maschine mit einer Einrichtung zum Kühlen des Stators

Info

Publication number: DE102022207889A1
Application number: DE102022207889.6A
Authority: DE
Inventors: Philipp Söntgerath
Original assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2024-02-01
Also published as: WO2024022827A1

Abstract

Stator (1) für eine elektrische Maschine (22), mit einem Statorblechpaket (2) und Statorwicklungen (3), die zum Erzeugen eines elektrischen Drehfelds in einem stromdurchflossenen Zustand ausgebildet sind, sowie mit einer Einrichtung zum Kühlen des Stators (1) mit einer Kühlflüssigkeit, wobei die Einrichtung einen das Statorblechpaket (2) und die Statorwicklungen (3) umgebenden hohlzylinderförmigen Statormantel (7) mit einem radialen Einlass (9) umfasst, an dessen Innenseite spiralförmig verlaufende Vorsprünge (13) ausgebildet sind, die zusammen mit der Außenseite des Statorblechpakets (2) Kanäle für die Kühlflüssigkeit bilden. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen eines Stators (1), eine elektrische Maschine (22) und ein Fahrzeug (17) mit einer elektrischen Maschine (22) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, mit einem Statorblechpaket und Statorwicklungen, die zum Erzeugen eines elektrischen Drehfelds in einem stromdurchflossenen Zustand ausgebildet sind, sowie mit einer Einrichtung zum Kühlen des Stators mit einer Kühlflüssigkeit.
Elektrische Maschinen dieser Art werden in zunehmendem Maße bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen verwendet. Eine solche elektrische Maschine wird dabei überwiegend als Elektromotor für den Antrieb eines Rads oder einer Achse eines Fahrzeugs eingesetzt. Der Elektromotor kann unter anderem als Synchronmotor oder Asynchronmotor ausgebildet sein.
Der Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor normalerweise elektrisch mit einem Wechselrichter verbunden, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Maschine erzeugt, insbesondere eine mehrphasige Wechselspannung.
Es ist auch möglich, die elektrische Maschine als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben, wobei die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie der Batterie umgewandelt wird.
Der Stator einer herkömmlichen elektrischen Maschine verfügt normalerweise über ein Statorblechpaket und Statorwicklungen. Beim Anlegen eines Stroms an die Statorwicklungen wird ein elektrisches Drehfeld erzeugt, durch das ein Rotor in Drehung versetzt wird.
Beim Betrieb der elektrischen Maschine erwärmt sich unter anderem der Stator stark, wobei die entstehende Wärme proportional zum angelegten elektrischen Strom ist. Besonders viel Wärme wird erzeugt, wenn die elektrische Maschine mit hoher Leistung betrieben wird. Allerdings können dabei bestimmte Komponenten der elektrischen Maschine wie die Statorwicklungen an ihre thermischen Belastungsgrenzen kommen.
Um die entstehende Wärme abführen zu können, weist der Stator üblicherweise eine Kühleinrichtung auf. Die Kühleinrichtung kann einen von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal umfassen. Das Kühlmittel, bei dem es sich beispielsweise um eine Wasser-Glykol-Mischung oder ein Öl handeln kann, wird in einem Kreislauf gefördert. Dadurch kann die Temperatur der Statorwicklungen auch bei hoher Belastung unterhalb eines festgelegten Grenzwerts gehalten werden.
Die Kühlung eines Stators soll möglichst gleichmäßig erfolgen, um lokale heiße Stellen zu vermeiden. Herkömmliche elektrische Maschinen werden dazu beispielsweise mit einem von Wasser durchflossenen Kühlmantel („cooling jacket“) versehen. Das Vorsehen eines Kühlmantels erfordert allerdings, dass der Kühlmantel in die Struktur der elektrischen Maschine integriert wird.
Es besteht daher Bedarf an einem Stator mit einer Einrichtung zum Kühlen, die einfach integriert werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Stator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einrichtung einen das Statorblechpaket und die Statorwicklungen umgebenden hohlzylinderförmigen Statormantel mit einem radialen Einlass umfasst, an dessen Innenseite spiralförmig verlaufende Vorsprünge ausgebildet sind, die zusammen mit der Außenseite des Statorblechpakets Kanäle für die Kühlflüssigkeit bilden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Stator besonders einfach mit einer Kühleinrichtung versehen werden kann, indem die Kühleinrichtung an der Außenseite des Statorblechpakets angeordnet wird. Das Statorblechpaket wird dazu mit einem Statormantel umgeben, der als Hohlzylinder ausgebildet ist. Im Inneren dieses Hohlzylinders befinden sich spiralförmige Vorsprünge, die zusammen mit der Außenseite des Statorblechpakets Kühlkanäle bilden.
Ein derartiger Stator weist den Vorteil auf, dass keine Modifikation des Statorblechpakets erforderlich ist. Der Statormantel kann einfach außenseitig angebracht werden, wodurch die Kühlkanäle gebildet werden. Dementsprechend kann ein Stator höchst einfach mit einer Kühleinrichtung für eine Kühlflüssigkeit versehen werden, bei der die Kühlung von der Außenseite des Statorblechpakets her erfolgt.
Im Rahmen der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der radiale Einlass für die Kühlflüssigkeit bezogen auf die Axialrichtung zumindest näherungsweise in der Mitte des Statormantels angeordnet ist und die spiralförmigen Kanäle für die Kühlflüssigkeit sich von dem Einlass zu beiden axialen Enden des Statormantels erstrecken. Durch eine derartige Anordnung des Einlasses und der Kanäle wird sichergestellt, dass die von der Mitte des Statormantels zugeführte Kühlflüssigkeit in Richtung der beiden Enden des Statormantels fließt und dabei besonders gleichmäßig Wärme abführt.
Um die Herstellung des erfindungsgemäßen Stators zur vereinfachen, wird es besonders bevorzugt, dass der Statormantel eine erste Halbschale und eine damit verbundene zweite Halbschale aufweist. Die beiden Halbschalen werden zunächst um das Statorpaket herum positioniert und dann miteinander verbunden. Vorzugsweise können die beiden Halbschalen miteinander verschweißt und/oder verklebt und/oder verrastet werden. Auf diese Weise kann das die Statorwicklungen aufweisende Statorblechpaket bei einem vergleichsweise späten Montageschritt mit dem Statormantel versehen werden.
Vorzugsweise definieren miteinander verbundene Kanten der Halbschalen eine Trennebene, wobei die erste Halbschale eine oder mehrere Ausnehmungen und die zweite Halbschale einen oder mehrere gegengleich dazu ausgebildete Vorsprünge aufweist, die in die Ausnehmungen eingesteckt und/oder verrastet sind. Durch Verrasten der beiden Halbschalen können diese besonders einfach miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise sind die beiden Halbschalen, die den Statormantel bilden, aus einem Kunststoffmaterial hergestellt.
Die Halbschalen können ferner vorzugsweise durch Spritzgießen hergestellt sein.
Um eine Kühlung von Wicklungsköpfen der Statorwicklungen sicherzustellen, wird es bevorzugt, dass an einer Axialseite oder an beiden Axialseiten des Stators ein Durchgangsöffnungen aufweisender Ring angeordnet ist. Über die Kühlkanäle zugeführtes Kühlmittel kann den Wicklungsköpfen der Statorwicklungen durch diesen Ring, insbesondere in dem Ring angeordnete Durchgangsöffnungen, zugeführt werden, um die Statorwicklungen zu kühlen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Stators der beschriebenen Art für eine elektrische Maschine, mit den folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines mit Statorwicklungen versehenen Statorblechpakets;
- Anordnen einer ersten Halbschale und einer zweiten Halbschale eines Statormantels um das Statorblechpaket; und
- Verbinden der ersten Halbschale und der zweiten Halbschale, um den hohlzylinderförmigen Statormantel zu bilden.

Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, mit einem Stator der beschriebenen Art, der einen bezüglich des Stators drehbaren Rotor umgibt.
Optional kann die elektrische Maschine ein Gehäuse aufweisen, das den Stator umgibt. Es kann sich jedoch auch um eine gehäuselose elektrische Maschine handeln, bei der die Außenseite durch den Stator selbst und zwei axiale Abdeckungen oder Flansche gebildet ist.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann die Kühlflüssigkeit ein Öl aufweisen.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sieht vor, dass sie einen Flansch mit mehreren Durchgangsöffnungen zum Befestigen der elektrischen Maschine aufweist, wobei der Einlass für die Kühlflüssigkeit des Statormantels in Umfangsrichtung benachbart zu einer der Durchgangsöffnungen angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist besonders platzsparend, da der Einlass nicht über die Außenkontur des Flansches hinausragt.
Weiterhin kann der Einlass so angeordnet sein, dass er in axialer Richtung mit der Durchgansöffnung fluchtet, was den Einbau der elektrischen Maschine in ein Fahrzeug erleichtert.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch ein Fahrzeug gelöst, das eine erfindungsgemäße elektrische Maschine aufweist, die zum Antreiben des Fahrzeugs konfiguriert ist.
Zusätzlich kann das Fahrzeug über ein mit der elektrischen Maschine gekoppeltes Getriebe und/oder einen mit der Maschine verbundenen Wechselrichter verfügen, mit dem eine zum Betreiben der elektrischen Maschine benötigte mehrphasige Wechselspannung bereitstellbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine geschnittene Ansicht einer elektrischen Maschine mit einem erfindungsgemäßen Stator;
2 eine perspektivische Ansicht eines mit einem Flansch verbundenen Statormantels;
3 eine geschnittene Ansicht auf die Innenseite des Statormantels;
4 ein vergrößertes Detail der Trennebene zweier miteinander verbundener Halbschalen des Statormantels; und
5 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.

1 ist eine geschnittene Ansicht einer elektrischen Maschine 22 mit einem Stator 1 gemäß der Erfindung. Der Stator 1 umfasst ein Statorblechpaket 2 und Statorwicklungen 3. Beim Anlegen eines Stroms erzeugen die Statorwicklungen 3 ein elektrisches Drehfeld.
An der in 1 linken Seite befindet sich ein Flansch 4, an der in 1 rechten Seite befindet sich eine axiale Abdeckung 5. Im Zentrum des Stators 1 befindet sich eine Rotorwelle eines Rotors 6 mit einem Hohlraum. Der Flansch 4 weist eine zentrale Öffnung auf, die von der Rotorwelle durchsetzt wird.
Der Stator 1 besitzt eine Einrichtung zum Kühlen mit einem hohlzylinderförmigen Statormantel 7. In 1 erkennt man, dass der Statormantel 7 das Statorblechpaket 2 mit den Statorwicklungen 3 umgibt. Der Statormantel 7 weist eine parallel zur Axialrichtung verlaufende Kühlmittelleitung 8 auf, die in einen radialen Einlass 9 mündet. Die Kühlmittelleitung 8 ist über eine nicht dargestellte Leitung mit einem Kühlmittelreservoir verbunden. Mittels einer Pumpe wird Kühlmittel in einem Kreislauf durch die Kühlmittelleitung 8 und den radialen Einlass 9 in den Statormantel 7 gefördert.
An beiden Axialseiten der Statorwicklungen 3 befindet sich innerhalb des Flansches 4 bzw. der axialen Abdeckung 5 jeweils ein Durchgangsöffnungen aufweisender Ring 23, um Kühlmittel an Wicklungsköpfe 24 der Statorwicklungen 3 zu leiten.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Statormantels 7, der mit dem Flansch 4 verbunden ist. In 2 erkennt man, dass sich die axial verlaufende Kühlmittelleitung von einem axialen Ende bis etwa zur Mitte des Statormantels 7 erstreckt. Der Statormantel 7 umfasst eine erste Halbschale 10 und eine zweite Halbschale 11, die miteinander verbunden sind und den ringförmigen Statormantel 7 bilden.
3 ist eine geschnittene Ansicht des Statormantels 7 und zeigt dessen Innenseite. Man erkennt dort spiralförmig verlaufende Vorsprünge 13, die sich ausgehend von dem Einlass 9 für das Kühlmittel symmetrisch in beide entgegengesetzte Axialrichtungen erstrecken. In Radialrichtung erstrecken sich die Vorsprünge 13 bis zur Außenseite der Statorwicklungen 3. Dadurch werden Kühlkanäle 14 gebildet, die durch die Innenseite 12 des Statormantels 7, die spiralförmig verlaufenden Vorsprünge 13 und die Außenseite der Statorwicklungen 3 begrenzt werden.
Die Kühlkanäle 14 verlaufen spiralförmig von der Mitte des Statormantels 7 in beide Axialrichtungen nach außen. Dementsprechend wird Kühlflüssigkeit, die über die Kühlmittelleitung 8 und den Einlass 9 zugeführt wird, durch die Kühlkanäle 14 spiralförmig um die Außenseite des Statormantels 7 geleitet, wodurch Wärme von dem Statorblechpaket 2 und den Statorwicklungen 3 optimal abgeführt wird. Die Temperatur der Statorwicklungen 3 kann beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 auf einen festgelegten Wert begrenzt werden.
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Trennebene der beiden miteinander verbundenen Halbschalen 10, 11 des Statormantels 7. Die erste Halbschale 10 besitzt eine als Nut ausgebildete Ausnehmung 15, die sich über die gesamte axiale Länge der ersten Halbschale 10 erstreckt. Die zweite Halbschale 11 besitzt einen gegengleich dazu ausgebildeten Vorsprung 16, der sich ebenfalls über die gesamte axiale Länge der zweiten Halbschale 11 erstreckt. Jede Halbschale 10, 11 besitzt eine solche Ausnehmung 15 und einen solchen Vorsprung 16, an denen die beiden Halbschalen 10, 11 miteinander verrastet oder verpresst werden können, um den rohrförmigen Statormantel 7 zu bilden. Bei anderen Ausführungen kann die Verbindung der beiden Halbschalen 10, 11 auch durch Kleben oder Schweißen hergestellt sein.
5 zeigt ein Fahrzeug 17 mit einem Antriebsstrang, der die elektrische Maschine 22 umfasst. Die elektrische Maschine 22 ist über ein Getriebe 18 mit einem Rad 19 des Fahrzeugs 17 gekoppelt. Daneben ist die elektrische Maschine 22 mit einem Wechselrichter 20 elektrisch verbunden. Eine Batterie 21 liefert eine Gleichspannung, die durch den Wechselrichter 20 in eine Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Maschine 22 umgewandelt wird.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Statorblechpaket
3: Statorwicklungen
4: Flansch
5: axiale Abdeckung
6: Rotor
7: Statormantel
8: Kühlmittelleitung
9: Einlass
10: erste Halbschale
11: zweite Halbschale
12: Innenseite
13: Vorsprung
14: Kühlkanal
15: Ausnehmung
16: Vorsprung
17: Fahrzeug
18: Getriebe
19: Rad
20: Wechselrichter
21: Batterie
22: elektrische Maschine
23: Ring
24: Wicklungskopf

Claims

Stator (1) für eine elektrische Maschine (22), mit einem Statorblechpaket (2) und Statorwicklungen (3), die zum Erzeugen eines elektrischen Drehfelds in einem stromdurchflossenen Zustand ausgebildet sind, sowie mit einer Einrichtung zum Kühlen des Stators (1) mit einer Kühlflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen das Statorblechpaket (2) und die Statorwicklungen (3) umgebenden hohlzylinderförmigen Statormantel (7) mit einem radialen Einlass (9) umfasst, an dessen Innenseite spiralförmig verlaufende Vorsprünge (13) ausgebildet sind, die zusammen mit der Außenseite des Statorblechpakets (2) Kanäle für die Kühlflüssigkeit bilden.
Stator nach Anspruch 1, wobei der Einlass (9) für die Kühlflüssigkeit bezogen auf die Axialrichtung zumindest näherungsweise in der Mitte des Statormantels (7) angeordnet ist und die spiralförmigen Kanäle für die Kühlflüssigkeit sich von dem Einlass (9) zu beiden axialen Enden des Statormantels (7) erstrecken.
Stator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Statormantel (7) eine erste Halbschale (10) und eine damit verbundene zweite Halbschale (11) aufweist.
Stator nach Anspruch 3, wobei die beiden Halbschalen (10, 11) miteinander verschweißt und/oder verklebt und/oder verrastet sind.
Stator nach Anspruch 3 oder 4, wobei miteinander verbundene Kanten der Halbschalen (10, 11) eine Trennebene definieren, in der die erste Halbschale (10) eine oder mehrere Ausnehmungen (15) und die zweite Halbschale (11) einen oder mehrere gegengleich dazu ausgebildete Vorsprünge (16) aufweist, die in die Ausnehmungen (15) eingesteckt und/oder damit verrastet sind.
Stator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die beiden Halbschalen (10, 11) aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sind.
Stator nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die beiden Halbschalen (10, 11) durch Spritzgießen hergestellt sind.
Stator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an einer Axialseite oder an beiden Axialseiten des Stators (1) jeweils ein Durchgangsöffnungen aufweisender Ring (23) angeordnet ist, um Kühlmittel von den Kanälen Wicklungsköpfen (24) der Statorwicklungen (3) zuzuführen.
Verfahren zum Herstellen eines Stators (1) für eine elektrische Maschine (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Statorwicklungen (3) aufweisenden Statorblechpakets (2); - Anordnen einer ersten Halbschale (10) und einer zweiten Halbschale (11) eines Statormantels (7) um das Statorblechpaket (2); und - Verbinden der ersten Halbschale (10) und der zweiten Halbschale (11), um den hohlzylinderförmigen Statormantel (7) zu bilden.
Elektrische Maschine (22), mit einem Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der einen bezüglich des Stators (1) drehbaren Rotor umgibt.
Elektrische Maschine (22) nach Anspruch 10, wobei die Kühlflüssigkeit ein Öl aufweist.
Elektrische Maschine (22) nach Anspruch 10 oder 11, mit einem Flansch (4) mit mehreren Durchgangsöffnungen zum Befestigen der elektrischen Maschine (22), wobei der Einlass (9) für die Kühlflüssigkeit des Statormantels (7) in Umfangsrichtung benachbart zu einer der Durchgangsöffnungen angeordnet ist.
Elektrische Maschine (22) nach Anspruch 12, wobei der Einlass (9) in axialer Richtung mit der Durchgangsöffnung fluchtet.
Fahrzeug (17) mit einer elektrischen Maschine (22) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, die zum Antreiben des Fahrzeugs (17) konfiguriert ist.