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Das Projekt, das zu dieser Anmeldung geführt hat, wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101006943 gefördert.
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Die die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine einen eine Statorwicklung aufweisenden Stator aufweist, und ein Wicklungskopf der Statorwicklung über eine Wärmeleitpaste an ein den Stator umgebendes Gehäuse thermisch angebunden ist. Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Des Weiteren ist Gegenstand der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Elektrische Maschinen für Hybrid- oder Elektrofahrzeug sind allgemein bekannt. In der
DE 10 2016 200 186 A1 ist beispielsweise eine elektrische Maschine beschrieben, die einen Stator aufweist. In dem Stator ist eine Wicklung angeordnet, wobei ein Wickelkopf der Wicklung an einer Stirnseite des Stators übersteht. Der Wicklungskopf ist mit einem Vergussmaterial vergossen, um diesen thermisch an ein den Stator umgebendes Gehäuse anzubinden. An einem Innenumfang der vergossenen Wickelköpfe ist ein segmentiertes Kühlblech angeordnet. Nachteilig bei der Ausgestaltung ist, dass über das segmentierte Kühlblech das Vergussmaterial beim Einbringen entweichen kann, so dass die mit Vergussmaterial ausfüllende Kavität Lufteinschlüsse und/oder Lunker aufweisen kann, wodurch die thermische Anbindung der Wicklungsköpfe an das Gehäuse und folglich die Kühlwirkung reduziert sein können.
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Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug anzugeben, die eine erhöhte Kühlwirkung aufweisen kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei kann jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen, sofern sich nicht explizit etwas Gegenteiliges aus der Beschreibung ergibt.
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In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, aufweisend einen ringförmig ausgebildeten Stator mit einer in axialer Richtung des Stators ausgerichteten Stirnseite, eine in dem Stator angeordnete Statorwicklung mit einem in axialer Richtung des Stators über die Stirnseite geführten Wicklungskopf, ein den Stator in dessen Umfangsrichtung umgebendes Gehäuse und einen mit dem Gehäuse verbundenen und beabstandet zur Stirnseite angeordneten Lagerschild, der einen in axialer Richtung ausgebildeten Vorsprung aufweist, ein auf dem Vorsprung angeordnetes und gegen die Stirnseite abdichtendes elastisches Dichtelement, eine durch das elastische Dichtelement, den Lagerschild, das Gehäuse und die Stirnseite ausgebildete und mit einer Wärmeleitpaste gefüllte Kavität, in die der Wicklungskopf eintaucht, so dass dieser zumindest über die Wärmeleitpaste an das Gehäuse thermisch angebunden ist.
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Mit anderen Worten ist gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bereitgestellt wird. Die elektrische Maschine kann vorzugsweise eine permanent erregte elektrische Maschine sein. Denkbar ist jedoch auch, dass die elektrische Maschine eine fremderregte elektrische Maschine ist. Die elektrische Maschine weist einen ringförmig ausgebildeten Stator auf. An einem axialen Ende des Stators weist der Stator eine Stirnseite auf. In dem Stator bzw. in axial verlaufende Nuten des Stators ist eine Statorwicklung angeordnet, wobei die Statorwicklung in axialer Richtung über die Stirnseite geführt ist und zu einem Wicklungskopf ausgebildet ist. Der Stator ist in einem Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse den Stator an dessen äußerer Umfangsfläche umgibt. Somit kann der Stator vorzugsweise verdrehsicher in dem Gehäuse angeordnet werden. Beabstandet zur Stirnseite des Stators ist ein Lagerschild angeordnet und mit dem Gehäuse mittelbar oder unmittelbar verbunden. Der Lagerschild weist einen vorzugsweise kreisringförmig ausgebildeten Vorsprung auf, der einem Inneren der elektrischen Maschine zugewandt ist. Auf dem Vorsprung des Lagerschilds ist ein elastisches Dichtelement angeordnet, dass gegen die Stirnseite des Stators abdichtet. Durch das Dichtelement, den Lagerschild, das Gehäuse und die Stirnseite wird eine Kavität ausgebildet, in die der Wicklungskopf hineinragt. Die Kavität ist mit einer Wärmeleitpaste gefüllt, wodurch der Wicklungskopf der Statorwicklung über die Wärmeleitpaste thermisch an das Gehäuse angebunden wird. Über das gegen die Stirnseite abdichtende elastische Dichtelement kann verhindert werden, dass die Wärmeleitpaste aus der Kavität entweicht. Somit kann der Verbleib der Wärmeleitpaste in der Kavität sichergestellt werden, was eine erhöhte thermische Anbindung des Wicklungskopfes an das Gehäuse bewirkt. Somit kann die Kühlwirkung der elektrischen Maschine erhöht werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass eine äußere Mantelfläche des ringförmig ausgebildeten elastischen Dichtelements zumindest abschnittsweise eine kegelstumpfartige Ausgestaltung aufweist. Die äußere Mantelfläche zeigt, bezogen auf eine radiale Richtung des elastischen Dichtelements, nach außen. Anders ausgedrückt ist die äußere Mantelfläche des Dichteelements auf einer dem Gehäuse zugewandten Seite ausgebildet. Ein Außendurchmesser der kegelstumpfartig ausgebildeten äußeren Mantelfläche nimmt in Richtung Lagerschild zu bzw. in Richtung einem Inneren der elektrischen Maschine ab. Somit kann die Kavität zumindest abschnittsweise wannenförmig ausgebildet sein, was vorteilhaft für eine luftblasenreduzierte und/oder luftblasenfreie Anordnung der Wärmeleitpaste in der Kavität sein kann. Durch eine reduzierte Anzahl an Lufteinschlüssen in der Wärmeleitpaste kann die thermische Anbindung des Wicklungskopfs an das Gehäuse erhöht werden.
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In diesem Zusammenhang liegt eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung darin, dass die äußeren Mantelfläche in einem Winkel α von 5° ≤ α ≤ 20° bezogen auf die Längsrichtung des Stators geneigt ausgebildet ist. Somit wird ein Mindestwinkel für die zumindest abschnittsweise wannenförmige Ausgestaltung der Kavität angegeben.
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Das elastische Dichtelement ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es temperaturbeständig ist. Vorzugsweise ist das elastische Dichtelement aus einem Gummi oder Silikon ausgebildet und/oder weist zumindest abschnittsweise Gummi und/oder Silikon auf.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass innerhalb des Dichtelements wenigstens eine Lufttasche angeordnet ist. Denkbar ist, dass eine Mehrzahl von Lufttaschen vorzugsweise in Umfangsrichtung des kreisringförmigen Dichtelements zueinander beabstandet innerhalb des Dichtelements ausgebildet ist. Vorstellbar ist jedoch auch, dass die Lufttasche umlaufend ausgebildet ist. Mit anderen Worten erstreckt sich die Lufttasche in Umfangsrichtung des Dichtelements. Über die wenigstens eine Lufttasche und/oder die Elastizität des Dichtelements können vorzugsweise thermisch bedingte Ausdehnung der Wärmeleitpaste und/oder des Wicklungskopfes sowie von an die Kavität unmittelbar angrenzender Bauteile kompensiert werden. Somit kann die Gefahr reduziert werden, dass durch thermische Ausdehnungen die Wärmeleitpaste aus der Kavität entweicht, was zu Lufteinschlüssen und somit zu einer reduzierten thermischen Anbindung des Wicklungskopfs an das Gehäuse führen könnte.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorsprung auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite eine Ausnehmung aufweist und das Dichtelement auf einer der Außenseite des Vorsprungs zugewandten Seite eine zu der Ausnehmung entsprechende Gegenkontur aufweist. Auf diese Weise kann das elastische Dichtelement in einfacher Weise auf dem Vorsprung lagesicher fixiert werden.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmung eine auf der Außenseite ausgebildete Rille und/oder Nut ist. Entsprechend korrespondierend ist die Gegenkontur des Dichtelements ausgebildet.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Lufttasche im Bereich der Gegenkontur des elastischen Dichtelements ausgebildet ist. Somit kann das Dichtelement im Bereich der Gegenkontur eine erhöhte Nachgiebigkeit aufweisen, so dass das Dichtelement leichter auf den Vorsprung aufsteckbar und in die Nut einführbar ist und zudem thermisch bedingte Kavitätsänderungen ausgleichen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Lagerschild und/oder in dem Gehäuse wenigstens eine verschließbare Öffnung zum Befüllen der Kavität mit der Wärmeleitpaste ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist wenigstens eine Öffnung vorgesehen, über die die Wärmeleitpaste von außen in die Kavität eingefüllt werden kann. In diesem Zusammenhang ist vorteilhaft vorgesehen, wenn eine zweite Öffnung vorgesehen ist, über die die überschüssige Wärmeleitpaste abfließen kann. Somit kann eine weitestgehend lufteinschlussfreie Wärmeleitpaste in der Kavität bereitgestellt werden, was die thermische Anbindung des Wicklungskopfs an das Gehäuse und/oder den Lagerschild erhöht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass das Gehäuse einen in der Gehäusewandung ausgebildeten Kühlkanal aufweist. Auf diese Weise kann das Gehäuse gekühlt werden, um die aus dem Wicklungskopf über die Wärmeleitpaste in das Gehäuse eingebrachte Wärme abzuführen. Die Kühlung des Wicklungskopfes, also des thermisch kritischen Bereichs der elektrischen Maschine, kann somit verbessert werden.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, wobei
- - über das elastische Dichtelement, den Lagerschild und das Gehäuse eine umlaufende Kavität ausgebildet wird, in die die Wärmeleitpaste eingefüllt wird, und im Anschluss der die Wicklung aufweisende Stator in dem Gehäuse angeordnet wird, so dass die Wicklung in die mit der Wärmeleitpaste gefüllte Kavität eintaucht und das Dichtelement gegen die Stirnseite des Stators abdichtet, und/oder
- - die Wärmeleitpaste über die wenigstens eine in den Lagerschild und/oder dem Gehäuse angeordnete Öffnung in die Kavität eingebracht wird.
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Mit anderen Worten ist gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass das Dichtelement auf den Lagerschild angeordnet wird und der Lagerschild mit dem Gehäuse verbunden wird, sodass eine umlaufende Kavität ausgebildet ist, in die die Wärmeleitpaste eingefüllt wird. Anschließend wird der Stator in dem Gehäuse angeordnet, so dass der Wicklungskopf in die Wärmeleitpaste eintaucht und das Dichtelement gegen die Stirnseite abdichtet. Alternativ und/oder in Ergänzung kann vorgesehen sein, dass zunächst alle Komponenten unabhängig von der Reihenfolge zusammengesetzt werden und im Anschluss über die wenigstens eine Öffnung die Wärmeleitpaste in die Kavität eingebracht wird.
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In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise Bestandteil eines Traktionsantriebs zum Antreiben des Kraftfahrzeugs.
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Es sei bemerkt, dass sämtliche Merkmale, welche vorstehend und nachfolgend in Bezug auf einen Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, gleichermaßen für jeden anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung gelten. Im Speziellen können sämtliche Merkmale der elektrischen Maschine auch Merkmale des Verfahrens und/oder Merkmale des Kraftfahrzeugs sein. Dies gilt auch umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel. Das Ausführungsbeispiel ist nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Es soll den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne und/oder mehrere der in dem Ausführungsbeispiel offenbarten Merkmale zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen, oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Das Ausführungsbeispiel wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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In diesen zeigen:
- 1 ein Längsschnitt durch die elektrische Maschine.
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In 1 ist ein Längsschnitt durch die elektrische Maschine 10 gezeigt. Die elektrische Maschine 10 weist einen ringförmig ausgebildeten Stator 12 auf. An einem axialen Ende des Stators 12 weist der Stator 12 eine Stirnseite 14 auf. In dem Stator 12 bzw. in axial verlaufende Nuten des Stators 12 ist eine Statorwicklung angeordnet, wobei die Statorwicklung in axialer Richtung über die Stirnseite 14 geführt ist und zu einem Wicklungskopf 16 ausgebildet ist. Der Stator 12 ist in einem Gehäuse 18 angeordnet, wobei das Gehäuse 18 den Stator 12 an dessen äußerer Umfangsfläche 20 umgibt. Somit kann der Stator vorzugsweise verdrehsicher in dem Gehäuse18 angeordnet werden.
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Beabstandet zur Stirnseite 14 des Stators 12 ist ein Lagerschild 22 angeordnet und mit dem Gehäuse 18 mittelbar oder unmittelbar verbunden. Der Lagerschild 22 weist einen kreisringförmig ausgebildeten Vorsprung 24 auf, der einem Inneren der elektrischen Maschine 10 zugewandt ist. Auf dem Vorsprung 24 des Lagerschilds 22 ist ein elastisches Dichtelement 26 angeordnet, dass gegen die Stirnseite 14 Stators abdichtet. Durch das Dichtelement 26, den Lagerschild 22, das Gehäuse 18 und die Stirnseite 14 wird eine Kavität 28 ausgebildet, in die der Wicklungskopf 16 hineinragt. Die Kavität 28 ist mit einer Wärmeleitpaste gefüllt, wodurch der Wicklungskopf 16 der Statorwicklung über die Wärmeleitpaste thermisch an das Gehäuse 18 angebunden wird. Über das gegen die Stirnseite 14 abdichtende elastische Dichtelement 26 kann verhindert werden, dass die Wärmeleitpaste aus der Kavität 28 entweicht. Somit kann der Verbleib der Wärmeleitpaste in der Kavität 28 sichergestellt werden, was eine erhöhte thermische Anbindung des Wicklungskopfes 16 an das Gehäuse18 bewirkt. Somit kann die Kühlwirkung der elektrischen Maschine 10 erhöht werden.
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Weiterhin ist ersichtlich, dass eine äußere Mantelfläche 30 des ringförmig ausgebildeten elastischen Dichtelements 26 zumindest abschnittsweise eine kegelstumpfartige Ausgestaltung aufweist. Die äußere Mantelfläche 30 zeigt bezogen auf eine radiale Richtung des elastischen Dichtelements 26 nach außen. Anders ausgedrückt ist die äußere Mantelfläche 30 des Dichteelements 26 auf einer dem Gehäuse 18 zugewandten Seite ausgebildet. Ein Außendurchmesser der kegelstumpfartig ausgebildeten äußeren Mantelfläche 30 nimmt in Richtung Lagerschild 22 zu bzw. in Richtung einem Inneren der elektrischen Maschine 10 ab. Somit kann die Kavität 28 zumindest abschnittsweise wannenförmig ausgebildet sein, was vorteilhaft für eine luftblasenreduzierte Anordnung der Wärmeleitpaste in der Kavität 28 sein kann. Durch eine reduzierte Anzahl an Lufteinschlüssen in der Wärmeleitpaste kann die thermische Anbindung des Wicklungskopfs 16 an das Gehäuse 18 erhöht werden.
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Der Vorsprung 24 weist auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite eine Ausnehmung 32 in Form einer umlaufenden Nut auf, und das Dichtelement 26 weist auf einer der Außenseite des Vorsprungs 24 zugewandten Seite eine zu der Ausnehmung entsprechende Gegenkontur auf. Auf diese Weise kann das elastische Dichtelement 26 in einfacher Weise auf dem Vorsprung 24 lagesicher angeordnet und/oder fixiert werden.
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Das Dichtelement 26 weist im Bereich der Gegenkontur eine Lufttasche 34 auf. Somit kann das Dichtelement 26 im Bereich der Gegenkontur eine erhöhte Nachgiebigkeit aufweisen, so dass das Dichtelement 26 leichter auf den Vorsprung 24 aufsteckbar und in die Nut einführbar ist und zudem thermisch bedingte Kavitätsänderungen über die Lufttasche 34 ausgleichen kann.
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Das Gehäuse 18 weist eine Gehäusewandung auf, in der ein Kühlkanal 36 ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das Gehäuse 18 über den Kühlkanal 36 gekühlt werden, um die aus dem Wicklungskopf 16 über die Wärmeleitpaste in das Gehäuse 18 eingebrachte Wärme abzuführen. Die Kühlung des Wicklungskopfes 16, also des thermisch kritischen Bereichs der elektrischen Maschine 10, kann somit verbessert werden.
