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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor, der sich durch die Möglichkeit einer besonders hohen Leistung infolge einer vorteilhaft ausgebildeten Kühleinrichtung für dessen Spulen auszeichnet. Der Einsatz der beschriebenen Kühleinrichtung ist besonders vorteilhaft bei Hochleistungselektromotoren, wie diese beispielsweise und nicht einschränkend im Motorsport verwendet werden, wo besonders im Zahnkopfbereich eines Stators relativ hohe Temperaturen auftreten können. Die Erfindung betrifft ferner ein System mit einem Elektromotor und einem Kühlmittelkreislauf sowie ein Verfahren zum Kühlen eines elektronisch kommutierten Elektromotors.
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Stand der Technik
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Ein elektronisch kommutierter Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2013 208 226 A1 bekannt. Der bekannte, in Außenläuferbauart ausgebildete Elektromotor weist eine Kühleinrichtung in Form von Strukturelementen auf, die an Radscheiben seines drehbar angeordneten Läufers angeordnet sind. Die Kühleinrichtung dient dazu, elektrische Spulen, die sich beim Betrieb des Elektromotors erwärmen, zu kühlen. Die bekannte Kühleinrichtung ist somit in Form einer Luftkühlung ausgebildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der elektronisch kommutierter Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich durch eine besonders effektive Kühlung aus, die eine besonders hohe Leistung des Elektromotors ermöglicht, wobei die elektrischen Spulen mit relativ hohen Strömen belastet bzw. durchflossen werden können. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Kühleinrichtung derart anzuordnen, dass das der Wärmeübertragung dienende Kühlmedium in unmittelbarem wärmeleitenden Kontakt mit dem kritischen Bereich des Stators angeordnet ist, in dessen Bereich die (Haupt-) Wärme erzeugt wird, d.h. im Bereich der elektrischen Spulen. Dies betrifft für den Fall der eingangs erwähnten Hochleistungselektromotoren den Bereich der Zahnköpfe des Stators, wo durch einen vergrößerten radialen Abstand der Spulen zu den Zahnköpfen ein zusätzlicher Bauraum geschaffen wird, der die Anordnung der Kühleinrichtung im Bereich der Spulen vereinfacht und ermöglicht.
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Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen hat daher ein erfindungsgemäß ausgebildeter elektronisch kommutierter Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 eine Kühleinrichtung, die wenigstens eine Kühlleitung aufweist, die ausgebildet ist, ein vorzugsweise flüssiges Kühlmedium zu führen und die in zumindest mittelbarem wärmeleitenden Kontakt mit den elektrischen Spulen angeordnet ist. Ferner wird ein System mit einem vorangehend beschriebenen Elektromotor und einem entsprechenden Kühlmittelkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie Verfahren zum Kühlen eines elektronisch kommutierten Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 12 vorgestellt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten Elektromotors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer konstruktiv bevorzugten Ausgestaltung des Elektromotors ist dieser in Innenläuferbauart ausgebildet, wobei der Stator in Bezug auf die Achse einer Radnabe den Läufer radial umgibt, wobei der Stator einen metallischen Statorkörper aufweist, an dem die elektrischen Spulen angeordnet sind. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird somit die Wärme typischerweise über die Wicklungen der Spulen an den Statorkörper, der als ein aus übereinander gestapelten Blechteilen ausgebildeter Stanzkörper ausgebildet ist, übertragen. Diese Wärmeübertragung kann durch die wenigstens eine Kühlleitung reduziert werden. Auch ist der Statorkörper in geringem Abstand von der wenigstens einen Kühlleitung angeordnet, sodass auch eine Wärmeübergang von dem Statorkörper in die wenigstens eine Kühlleitung erfolgen kann.
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In einer konstruktiv besonders bevorzugten Ausgestaltung des Elektromotors, die eine einfache Anordnung der wenigstens einen Kühlleitung der Kühleinrichtung bzw. einen vorteilhaften Montageprozess bei der Montage des Elektromotors ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass der Statorkörper in gleichmäßigen Winkelabständen um die Achse der Radnabe angeordnete, parallel zur Achse ausgerichtete Stege mit zwischen den Stegen angeordneten Nuten zur bereichsweisen Aufnahme der Spulen aufweist, und dass die wenigstens eine Kühlleitung im Bereich der Nuten zwischen den Stegen angeordnet ist.
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In bevorzugter Anordnung der wenigstens einen Kühlleitung bzw. Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Kühlleitung in Richtung einer der Achse der Radnabe betrachtet auf der der Achse radial zugewandten Seite der elektrischen Spulen, d.h. in Höhe der sogenannten Zahnköpfe des Stators, angeordnet ist.
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Mit Blick auf eine mögliche vorteilhafte Montage des Elektromotors in einem Zustand, bei der die Kühleinrichtung bzw. die wenigstens eine Kühlleitung bereits im Statorkörper in einer Zwischenposition angeordnet ist, ist es vorgesehen, dass die Spulen als vorgefertigte Spulenelemente ausgebildet sind, die zwischen die Stege in einer parallel zur Achse oder radial zur Achse verlaufenden Richtung einführbar sind.
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Bevorzugt ist es, wenn die Spulenelemente aus einem gebogenen flachen Kupferquerschnitt geformt sind. Derartige, zumindest halbsteife Spulenelemente können sehr einfach gehandhabt bzw. mit dem Statorkörper verbunden werden, ohne dass diese ihre ursprünglich gebogene Form verändern.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die wenigstens eine Kühlleitung der Kühleinrichtung als vorgebogene Kühlschlange ausgebildet ist, die eine an einer Stirnseite des Statorkörpers angeordnete Zuflussleitung und eine Abflussleitung aufweist. Ein derartiger, steifer Körper bzw. eine derartige steife Kühlschlange lässt sich besonders einfach und positionsgenau in den Statorkörper einführen und positionieren und ist darüber hinaus hinsichtlich ihrer Geometrie relativ stabil ausgebildet, sodass auch beim weiteren Montageprozess insbesondere der Spulenelemente die wenigstens eine Kühlleitung bzw. die Kühlschlange ihre vorgegebene und gewünschte Form und Position am Statorkörper beibehält.
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Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Stege die Spulenelemente auf der der Radnabe zugewandten Seite radial überragen, und dass die wenigstens eine Kühlleitung die Stege radial nicht überragt. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die elektrischen Spulen radial nach außen, von den Zahnköpfen beabstandet, versetzt angeordnet sind. Dadurch lässt sich die Wärmebelastung reduzieren bzw. eine besonders gute Kühlung der Spulen ermöglichen, da ein derartiger radialer Rückzug der Spulen eine Verringerung von Wirbelstromverlusten zur Folge hat und die Anordnung der wenigstens einen Kühlleitung in den durch den radialen Rückzug der Spulen gewonnenen zusätzlichen Bauraum im Nutbereich zwischen den Stegen ermöglicht.
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Um einen besonders guten Wärmeübergang in die Kühleinrichtung zu ermöglichen, und darüber hinaus die genannten Elemente zueinander dauerhaft und sicher zu positionieren sowie bei Verwendung eines flüssigen Kühlmediums eine Leckagesicherheit zu erhöhen, ist es vorgesehen, dass der Statorkörper zusammen mit der wenigstens einen Kühlleitung der Kühleinrichtung und den Spulen zumindest bereichsweise von einer Vergussmasse umgeben ist. Eine derartige Vergussmasse ist vorteilhafterweise wärmeleitend ausgebildet bzw. mit einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit versehen, um den Wärmeübergang von den elektrischen Spulen und dem Statorkörper in die wenigstens eine Kühlleitung der Kühleinrichtung zu optimieren.
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Bevorzugt ist es, wenn das Kühlmedium ein Kühlöl ist. Dadurch wird selbst für den Fall, dass die wenigstens eine Kühlleitung beschädigt ist, ein Kurzschluss des Elektromotors vermieden und somit die Betriebssicherheit erhöht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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- 1 zeigt einen Querschnitt durch einen in Innenläuferbauart ausgebildeten elektronisch kommutierten Elektromotor,
- 2 bis 6 jeweils in perspektivischer Darstellung, unterschiedliche Fertigungsstufen des Stators des Elektromotors gemäß der 1 und
- 7 eine perspektivische Darstellung einer Kühlschlange als Bestandteil einer Kühleinrichtung des Elektromotors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor 10 in Innenläuferbauart vereinfacht dargestellt. Der Elektromotor 10 dient insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere als Bestandteil eines Radnabenantriebs. Vorzugsweise dient der Elektromotor 10 für Motorsport- bzw. Hochleistungsanwendungen, d.h. Anwendungen, bei denen der Elektromotor 10 eine möglichst große Leistungsabgabe aufweisen soll.
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Der Elektromotor 10 weist einen in an sich bekannter Bauart um eine Achse 12 drehbar gelagerten Läufer 14 mit Magnetelementen 16 auf, wobei der Läufer 14 im Wesentlichen als zylindrischer Körper ausgebildet ist. Der Läufer 14 wirkt mit einem in Bezug zur Achse 12 ortsfest angeordneten Stator 20 zusammen, der auf einer Radnabe 22 drehbar angeordnet ist, mit der wiederum der Läufer 14 drehfest verbunden ist.
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Der Stator 20 weist einen aus einer Vielzahl von senkrecht zur Zeichenebene der 1 übereinander gestapelten, aus Blechzuschnitten bestehenden Statorblechen 24 (2) auf, die einen Statorkörper 23 ausbilden. Der Statorkörper 23 bildet einen (geschlossenen) Mantel 25 aus, von dem in Richtung zur Achse 12 betrachtet Stege 26 radial abragen. Die Stege 26 sind in gleichförmigen Winkelabständen um die Achse 12 angeordnet, wobei in Umfangsrichtung zwischen den Stegen 26 Nuten 28 ausgebildet sind, deren Querschnitt zumindest im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Stege 26 in radialer Richtung zur Achse 12 betrachtet eine abnehmende Dicke d (2) aufweisen.
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Die Stege 26 dienen der Aufnahme von elektrischen Spulen 30, welche vorzugsweise als vorgefertigte Spulenelemente 32 ausgebildet sind. Die Spulenelemente 32 sind aus einem gebogenen flachen Kupferquerschnitt 34 gebildet und bilden einen zumindest halbstarren Körper aus. Die Spulen 30 weisen Spulenanschlüsse 35, 36 auf, die beispielsweise auf unterschiedlichen Stirnseiten des Stators 20 angeordnet sind und in bekannter Art und Weise elektrisch verschaltet sind, um elektrische Phasen des elektronisch kommutierten Elektromotors 10 auszubilden (nicht dargestellt). Wicklungs- oder Spulenköpfe 38 der Spulen 30 überragen ebenfalls in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Achse 12 betrachtet, die Stege 26.
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Dadurch, dass die Spulen 30 als vorgefertigte Spulenelemente 32 ausgebildet sind, ist es möglich, die Spulenelemente 32 entweder in einer senkrecht zur Zeichenebene der 1 verlaufenden Einschubrichtung, oder aber in radialer Richtung von der Achse 12 her betrachtet in die Nuten 28 zwischen den Stegen 26 des Statorkörpers 23 einzusetzen bzw. zu montieren. Weiterhin weist der Stator 20 bzw. der Elektromotor 10 eine Kühleinrichtung 40 auf.
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Die Kühleinrichtung 40 umfasst, wie besonders deutlich anhand der 7 erkennbar ist, eine Kühlleitung 42 aus einem thermisch möglichst gut leitenden und elektrisch schlecht leitenden Material besteht, beispielsweise aus einem metallischen Rohr, das mit einer (dünnen) elektrischen Isolationsschicht beschichtet ist o.ä., wobei die Kühlleitung 42 als teilweise vorgebogenes, d.h. außerhalb des Stators 20 gefertigtes Teil parallel zur Achse 12 verlaufende Abschnitte 44 sowie radial in Bezug zur Achse 12 im Bereich der Stege 20 und des Mantels 25 verlaufende Verbindungsabschnitte 45 aufweist. Weiterhin weist die eine Kühlschlange 43 ausbildende Kühlleitung 42 einen radial nach außen ragenden Zuflussabschnitt 46 sowie einen Abflussabschnitt 48 für ein flüssiges Kühlmedium, insbesondere Kühlöl, auf. Das Kühlmedium wird durch die Kühlleitung 42 mittels einer nicht dargestellten Förderpumpe gefördert und beispielsweise einem Kühler zugeführt (nicht dargestellt).
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Wie besonders deutlich anhand der 6 erkennbar ist, sind die Abschnitte 44 im Bereich der Nuten 28 und der Spulen 30 auf der der Achse 12 radial zugewandten Seite angeordnet. Die Abschnitte 44 sind dabei typischerweise in geringem Abstand zu den elektrischen Spulen 30 oder aber in Anlagekontakt mit diesen angeordnet. Insbesondere überragen die Abschnitte 44 die der Achse 12 zugewandten Stegoberseiten 50 der Stege 26 im Endzustand des gefertigten Stators 20 nicht.
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Die Montage des soweit beschriebenen Elektromotors 10 bzw. des Stators 20 wird nunmehr anhand der Figurenfolge der 2 bis 6 wie folgt erläutert: In dem in der 2 dargestellten ersten Fertigungsschritt wird der aus den Statorblechen 24 gebildete Statorkörper 23 bereitgestellt. Anschließend erfolgt entsprechend der Darstellung der 3 das Einlegen bzw. Ausbilden einer Nutisolation sowie einer Axialisolation durch in den Nuten 28 sowie den Stirnflächen der Stege 26 angeordnete Isolationspapiere 52, 54. Anschließend erfolgt entsprechend der Darstellung der 4 die Montage der vorgefertigten bzw. vorgeformten Kühlleitung 42 der Kühleinrichtung 40 durch axiales Einschieben in den Statorkörper 23 in einem ersten Schritt. Wesentlich ist dabei, dass zunächst die in der 4 erkennbaren, Abschnitte 44 zunächst fluchtend zu den Stegen 26 verlaufen, d.h. oberhalb der Stegoberseiten 50. Nach Erreichen der axialen Endposition im Statorkörper 23 werden die Verbindungsabschnitte 45 sowie der Zuflussabschnitt 46 und der Abflussabschnitt 48 in einem zweiten Schritt gegen die Stirnseiten des Statorkörpers 23 umgeformt, wie dies in der 4 dargestellt ist. Auch sind die Abschnitte 44 nach dem zweiten Schritt noch mit den Stegen 26 ausgerichtet. Entsprechend der Darstellung der 5 werden anschließend die Spulen 30 bzw. die Spulenelemente 32 zunächst durch axiales Einführen in den Statorkörper 23 und anschließendes radiales nach außen Bewegen über die Abschnitte 44 der Kühlleitung 42 und die Stege 26 zwischen den Nuten 28 eingebracht. Anschließend erfolgt entsprechend der Darstellung der 6 ein Umformen der noch in Ausrichtung mit den Stegen 26 angeordneten Abschnitte 44 der Kühlleitung 42 in Umfangsrichtung und radiales nach außen Drücken, um diese möglichst nahe zu den Spulen 30 innerhalb den Nuten 28, d.h. zwischen den Stegen 26 anzuordnen. Zuletzt erfolgt ein Vergießen der soweit miteinander verbundenen Elemente des Stators 20 mittels einer Vergussmasse 56.
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Der soweit beschriebene Elektromotor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist die Ausbildung einer derartigen Kühleinrichtung 40 nicht auf Elektromotoren 10 in Innenläuferbauart beschränkt, sondern kann grundsätzlich auch auf Elektromotoren 10 in Außenläuferbauart angewendet werden. Darüber hinaus ist es beispielsweise denkbar, mehrere Kühlleitungen 42 zu verwenden, sodass das Kühlmedium lediglich jeweils in Anlagekontakt mit einigen elektrischen Spulen 30 angeordnet ist, um eine verbesserte Wärmeabfuhr zu ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013208226 A1 [0002]
