DE102022208046A1

DE102022208046A1 - Elektrische Maschine mit umspritzten Stator und Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102022208046A1
Application number: DE102022208046.7A
Authority: DE
Inventors: Birgit Lipp; Werner Ness; Stefan Lienhart; Matthias Kohlhauser
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2024-02-08
Also published as: WO2024028122A1

Abstract

Elektrische Maschine (1) mit Ölkühlung mit einem Rotor (3) und einen gegen den Rotor (3) abgedichteten Stator (2), der im mit Öl benetzten Raum innerhalb eines Gehäuses (14) der elektrischen Maschine (1) angeordneten liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) aus Statorblechen (10) aufgebaut ist, die radial verlaufende Wicklungsnuten (4) aufweisen, wobei die Statorbleche (10) entlang ihrer Innenradien (n) eine Abdichtung (8) aus Kunststoff aufweisen und die Wicklungsnuten (4) mit demselben Kunststoff mit einer Isolation (9) ausgekleidet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit Ölkühlung mit einem Rotor und einen gegen den Rotor abgedichteten Stator, der im mit Öl benetzten Raum der elektrischen Maschine angeordneten liegt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Elektrische Antriebe für Fahrzeuge gewinnen an Bedeutung. Eine Schlüsselkomponente sind die elektrischen Maschinen und deren effiziente Kühlung. Zusätzlich zu Rotorkühlungen wird auch der Stator der elektrischen Maschine gekühlt, was für mittlere bis höhere Leistungen erforderlich ist.
Bekannt sind zur Kühlung des Stators verschiedene Ansätze wie das Kühlen über einen Kühlmantel, oder das Kühlen der Wickelköpfe von außen über einen Verteilmechanismus.
Bekannt ist auch eine Kühlung des Stators über spezielle zentrale Statornuten, wobei Kühlmittel durch axiale Kanäle im Statorjoch axial in Richtung auf die Wicklung des Stators geführt und über ein Kunststoffteil auf die Wickelköpfe verteilt werden.
Es gibt auch mit Kunststoff umspritzte Wickelköpfe mit integrierten Kühlkanälen.
Aus der US 2015076954 A1 ist eine elektrische Maschine mit Rotor und Stator bekannt. Der Stator umfasst einen ringförmigen Kern, mehrere Statorkeile und mehrere Keilhaltestrukturen.
Der Kern umfasst eine Vielzahl von bogenförmig beabstandeten Zähnen. Eine Umspritzung bedeckt im Wesentlichen den gesamten Kern. Die Umspritzung umfasst ein Kunstharzmaterial und umfasst am bevorzugtesten Polyethylen. Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung ist es auch zulässig, dass die Isolierung zusätzlich oder ausschließlich durch eine oder mehrere diskrete isolierende Strukturen (z. B. nichtleitende Zungen oder Überzüge) und/oder durch zumindest teilweises Beschichten des Kerns mit einer elektrisch leitenden Schicht bereitgestellt wird. Die Umspritzung definiert die Drahtführungsstruktur und die Statorbefestigungsstruktur. Die Wände sind nicht konzentrisch oder die Führung wird über Haken und Portale statt über die Wände erreicht.
Das Umspritzen von Aktivteilen der elektrischen Maschine ist gegenwärtig ein probates Mittel, um unterschiedlichen Anforderungen im elektrischen Traktionsantrieb zu begegnen. Beispielhafte bekannte Ausführungen sind das der umspritzte Rotor, wobei die Umspritzung zur Positionierung und Fixierung der Magnete als auch der Elektrobleche zueinander dient.
Auch ein umspritzter Stator zur Fixierung der Wicklungen in den Slots und integrierten axialen Kühlkanälen ist bekannt.
Weiterhin werden Wickelköpfe samt Verschaltung zur thermischen Anbindung und Positionierung der Stromschienen umspritzt.
Die bisher erzielte Kühlung ist unzureichend, weil nur eine oberflächliche Kühlung des Stators stattfindet. Das Statorjoch wird nur von außen über das Gehäuse der elektrischen Maschine und einen Kühlmantel gekühlt, die Wickelköpfe nur mittels aufgespritzter Kühlmittel. Der hauptsächliche Wärmeeintrag entsteht aber in den Wicklungsnuten.
Dabei entsteht ein erhöhter Schleppverlust bzw. schlechte Effizienz durch überschüssiges Öl am Rotor oder im Luftspalt der elektrischen Maschine.
Bei einer vollflächigen Umspritzung der Wicklungen erhält man schlechtere Wärmeübergänge ins Kühlmedium aufgrund der schlechteren thermischen Leitfähigkeit von Kunststoff.
Ein separates Isolationspapier ist zwischen Stator und Wicklung erforderlich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine rein ölgekühlte EM mit direkt im Öl getränkten Stator darzustellen, um höhere Kühlwirkungen und somit eine gesteigerte Dauerleistung über Drehzahl zu erreichen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst mit einer elektrischen Maschine mit Ölkühlung mit einem Rotor und einen gegen den Rotor abgedichteten Stator, der im mit Öl benetzten Raum innerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine angeordnet liegt, wobei der Stator aus Statorblechen aufgebaut ist, die radial verlaufende Wicklungsnuten aufweisen, wobei die Statorbleche entlang ihrer Innenradien eine Abdichtung aus Kunststoff aufweisen und die Wicklungsnuten mit demselben Kunststoff mit einer Isolation ausgekleidet sind.
Durch Anwendung des Spritzgussprozesses können bei der Ausführung eines direkt umspritzen Stators dünne Wandstärken erzielt werden. Dadurch ist es möglich, den Luftspalt zwischen Rotor und Stator möglichst klein auszuführen, um Leistungseinbußen zu vermeiden.
Die Isolation der Wicklungsnuten umfasst Haltenasen als Anlage für Wicklungsdraht, die mit demselben Kunststoff in einem Spritzgussprozess hergestellt sind. Dadurch erreicht man eine einfache Herstellung dieser Anlagen für den Wicklungsdraht.
Es könne auch Einleger für Haltenasen als Anlage für einen Wicklungsdraht umspritzt sein.
Die Haltenasen dienen nicht nur als Anschläge sondern auch als radiale Begrenzung von Kühlkanälen in den Wicklungsnuten.
Die elektrische Maschine, genauer der Stator, wird weiter abgedichtet, wobei sich die Abdichtung axial in eine angespritzte Dichtung oder einen umspritzte Dichtungseinlage mit Anlage an einem Gehäuse der elektrischen Maschine erstreckt.
Eine Zusatzdichtung ist auf der Stirnseite des Statorblechs mit angespritzt.
Die Statorbleche weisen auf ihrem Außenradius Fixierungsnuten auf, die mit Kunststoff ausgespritzt sind. Dadurch werden die Bleche fixiert und verbunden, so dass man sich eine Laserschweißung ersparen kann.
Die Aufgabe wird auch gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit den Schritten:

- Herstellen und Schichten von Statorblechen,
- Einbringen des Blechpakets in eine Spritzgussform,
- Ausspritzen von Fixierungsnuten am Außenradius des Blechpakets,
- gleichzeitiges Herstellen von Isolation in den Wicklungsnuten,
- gleichzeitiges Herstellen der Abdichtung.

Es kann auch ein gleichzeitiges Herstellen einer angespritzten Dichtung mit oder ohne Dichtungseinlage ausgehend von der Abdichtung zum Gehäuse der elektrischen Maschine erfolgen.
Der Spritzgussvorgang erlaubt somit gleichzeitig Bleckpakete zu fixieren, die Abdichtungen herzustellen und die Isolation der Wickelnuten umzusetzen.
Beschreibung der Figuren

1, 2 und 3 zeigen Schnitte durch einen Stator mit Wicklungsnuten,
4 und 5 zeigen Vergrößerungen der Wicklungsnuten,
6, 7 und 8 zeigen Ausführungsformen der elektrischen Maschinen in einem Längsschnitt,
9, 10, 11 zeigen eine Befestigung von Statorblechen durch Umspritzen.

In den 1 bis 3 sind Schnitte durch einen Stator 2 einer elektrischen Maschine 1 mit einem Rotor 3. Der Stator 2 weist Statorbleche 10 auf, in denen Wickelnuten 4 ausgebildet sind. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Wickelnuten nur bis zu einem Teil des Radius r der Statorbleche 10.
Entlang des Innenradius r_i des Stators 2 ist eine Abdichtung 8 zum Rotor 3 dargestellt. Es handelt sich um eine Kunststoffschicht, die über den Statorblechen eingespritzt wird. Gleichzeitig werden Wickelnuten 4 mit einer Isolation 9 versehen, die die Wickelnuten 4 mit einem Kunststoffmaterial auskleidet. Beide Kunststoffschichten gehen im Bereich der Abdichtung 8 gegenüber dem Rotor 3 ineinander über.
Um den Stator zu dichten, ist diese Abdichtung 8 des Stator-Raums zum rotierenden Rotor 3 erforderlich.
Im radialen Verlauf der Wickelnuten 4 sind Halte-bzw. Positioniernasen 6 eingebracht. Die Haltenasen 6 werden dabei im Spritzgussprozess gleichzeitig mit der Isolation 9 hergestellt.
4 zeigt in Vergrößerung einer Ausführungsform einer Wickelnut 4 mit Haltenasen 6. Die Haltenasen dienen zur Führung von Wicklungsdraht 5, der in Form von Haarnadelstrukturen in die Wickelnut 4 eingebracht wird. Die Haltenasen 6 definieren aber auch gleichzeitig Kühlkanäle 7 in der Wicklungsnut 4. In 1 ist eine Reihe von Kühlkanälen 7 nahe an der Abdichtung 8 ausgestaltet. In 2 werden zwei Sätze von Kühlkanälen hergestellt, indem Haltenasen 6 die beiden Endbereiche der Wicklungsnuten 4 freihalten. In 3 ist ein Satz von Kühlkanälen 7 in der Mitte der Wicklungsnuten 4 hergestellt, indem insgesamt an vier Positionen der Wicklungsnut 4 Haltenasen 6 vorgesehen sind.
In der 5 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, in der die Haltenasen 6 durch Einleger 6a ersetzt sind. Die Einleger 6a werden im Spritzprozess der Isolation 9 in die Wicklungsnuten 4 eingebracht.
Der Stator wird direkt umspritzt und bildet in Kombination mit den auch umspritzten Wicklungsnuten 4 die tragende Struktur der Abdichtung. Somit kann die Dichtfläche bzw. Wandstärke zum trockenen Rotor-Raum möglichst dünnwandig ausgeführt werden, um die Luftspaltvergrößerung möglichst klein zu halten. Zusätzlich entfällt durch die Umspritzung der Wicklungsnuten 4 das Isolationspapier.
Durch gezielte Positionierung der Wicklungen bzw. Haarnadeldrähte in den Wicklungsnuten 4 werden die Kühlkanäle ausgebildet.
Die Umspritzung des Stators erlaubt auch die Anordnung von Dichtungen. Wie sie in den 6, 7 und 8 dargestellt werden.
6 zeigt eine angespritzte Dichtung 11, die sich von der Abdichtung 8 gegenüber dem Rotor 3 in Richtung auf ein in dieser Zeichnung nicht dargestellten Gehäuse 14 erstreckt. Die angespritzte Dichtung 11 verläuft axial in der Verlängerung der Abdichtung 8. Die angespritzte Abdichtung 11 ist dabei radial nach innen gebogen und verläuft dann mit einem kleineren Radius zur Rotationsachse R als die Abdichtung 8. Diese angespritzte Abdichtung 11 verläuft innerhalb des Radius der Wickelköpfe 15.
In der 7 wird eine alternative Ausführungsform dargestellt. Wenn das Material der Abdichtung 8 nicht optimal geeignet ist, um den Stator gegen das Gehäuse 14 der elektrischen Maschine 1 abzudichten, wird eine Dichtungseinlage 12 verwendet. Diese Dichtungseinlage 12 verläuft wie die angespritzte Dichtung 11, wird aber als separates Einlegeteil vor dem Spritzgussverfahren in die Form eingelegt.
In der 9 ist dargestellt, dass eine Zusatzdichtung 13 eingespritzt werden kann. Diese Zusatzdichtung 13 verläuft radial auf der Stirnseite 2a des Stators 2. Diese Kunststoffschicht der Zusatzdichtung 13 dichtet das Blechpaket unterhalb der Wicklungsköpfe 15 ab.
Mit den unterschiedlichen angespritzten oder eingelegten Dichtungen wird das Statorblech 10 komplett gegenüber dem Rotor 3 der elektrischen Maschine 1 gedichtet.
Da der Stator 2 mit Kunststoff bereits teilweise umspritzt wird ist noch ein weiterer Aspekt in der Umsetzung denkbar.
Die 9,10 und 11 zeigen Bilder des gesamten Statorblechs 10 in unterschiedlichen Ansichten. Das Statorblech 10 weist auf seinem Außenradiaus r_a Fixierungsnoten 16 auf, die sich axial entlang des Blechpakets erstrecken. Diese Nuten 16 erstrecken sich radial bis in eine Tiefe, in der die Wicklungsnuten 4 beginnen. Im Ausführungsbeispiel sind vier Fixierungsnoten 16 axial verteilt.
Die Bleche des Stators 2 werden in einem Stanzprozess hergestellt und anschließend aufeinandergeschichtet. Dieses Blechpaket aus Statorblechen 10 wird gleich nach dem Paketierprozess für die Elektrobleche direkt in die Kavität eines Spritzgusswerkzeugs eingelegt und umspritzt.
Im Spritzgusswerkzeug befinden sich alle Ausformungen bzw. vorbereiteten Einleger, die benötigt werden, um den Stator 2 zu dichten und zu finalisieren.
Bezugszeichen

1: Elektrische Maschine
2: Stator
3: Rotor
4: Wickelnut
5: Wicklungsdraht
6: Halte- bzw. Positioniernasen
6a: Einleger Haltenase
7: Kühlkanäle
8: Abdichtung zum Rotor
9: Isolation
10: Statorbleche
11: angespritzte Dichtung
12: Dichtungseinlage
13: Zusatzdichtung
14: Gehäuse
15: Wickelkopf
16: Fixierungsnut
R: Rotationsachse
ra: Aussenradius
ri: Innenradius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 2015076954 A1 [0007]

Claims

Elektrische Maschine (1) mit Ölkühlung mit einem Rotor (3) und einem gegen den Rotor (3) abgedichteten Stator (2), der im mit Öl benetzten Raum innerhalb eines Gehäuses (14) der elektrischen Maschine (1) angeordneten liegt, wobei der Stator (2) aus Statorblechen (10) aufgebaut ist, die radial verlaufende Wicklungsnuten (4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorbleche (10) entlang ihrer Innenradien (n) eine Abdichtung (8) gegen den Rotor aus Kunststoff aufweisen und die Wicklungsnuten (4) mit demselben Kunststoff mit einer Isolation (9) ausgekleidet sind.
Elektrischen Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation (9) der Wicklungsnuten (4) Haltenasen (6) als Anlage für Wicklungsdraht (5) aufweist, die mit demselben Kunststoff in einem Spritzgussprozess hergestellt sind.
Elektrischen Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation (9) der Wicklungsnuten (4) Einleger (6a) für Haltenasen (6) als Anlage für Wicklungsdraht (5) aufweist, die in einem Spritzgussprozess mit hergestellt sind.
Elektrischen Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltenasen (6) als radiale Begrenzung von Kühlkanälen (7) in den Wicklungsnuten (4) dienen.
Elektrischen Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (8) sich axial in eine angespritzte Dichtung (11) oder eine umspritzte Dichtungseinlage (12) mit Anlage an dem Gehäuse (14) der elektrischen Maschine (1) erstreckt.
Elektrischen Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzdichtung (13) auf der Stirnseite (2a) des Statorblechs (10) mit angespritzt ist.
Elektrischen Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorbleche (10) auf ihrem Außenradius (r_a) Fixierungsnuten (16) aufweisen, die mit Kunststoff ausgespritzt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrischen Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit den Schritten: - Herstellen und Schichten von Statorblechen (10), - Einbringen des Blechpakets aus Statorblechen (10) in eine Spritzgussform, - Ausspritzen von Fixierungsnuten (16) am Außenradius (r_a) der Statorbleche (10), - gleichzeitiges Herstellen von Isolation (9) in den Wicklungsnuten (4), - gleichzeitiges Herstellen der Abdichtung (8).
Verfahren nach Anspruch 8, mit einem weiteren Schritt: - Gleichzeitiges Herstellen einer angespritzten Dichtung (11) mit oder ohne Dichtungseinlage (12) ausgehend von der Abdichtung zum Gehäuse der elektrischen Maschine.