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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung einen Statorzahn, ein Statorsegment, einen Statorkörper und einen Stator.
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Technischer Hintergrund
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In vielen technischen Bereichen kommen elektrische Antriebe zum Einsatz. Ein technisches Gebiet, auf das die vorliegende Erfindung jedoch grundsätzlich nicht beschränkt ist, ist ein Elektromotor und genauer dessen Stator. Der Stator eines Elektromotors besteht konventionell aus einem Metallblechpaket. Derartige Blechpakete sind aus vielen Lagen einzelner Bleche aufgebaut, wobei diese verschweißt, verklebt oder formschlüssig durch das Umformen kleiner Nasen in das jeweils darunterliegende Blech miteinander gefügt werden.
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Der elektrische Teil eines Antriebsstranges eines solchen Elektromotors besteht aus einer elektrischen Energiequelle, einem leistungselektronischen Stellglied sowie dem Antriebsmotor. Die drei vorgenannten Funktionseinheiten werden üblicherweise gerätetechnisch getrennt ausgeführt und dann über signalführende und leistungsführende Verbindungskabel miteinander verknüpft. Für eine weitere Optimierung des elektrischen Antriebsstrangs stellt sich diese getrennte Ausführung als problematisch dar. Zum einen benötigt der getrennte Aufbau viel Bauraum, der bei vielen Einsatzgebieten von elektrischen Maschinen, wie beispielsweise in einem Elektro-Kraftfahrzeug, der Luftfahrt, der Automatisierungstechnik usw., nur begrenzt verfügbar ist und deshalb verringert werden sollte. Zum anderen müssen alle Komponenten einzeln gekühlt werden, um eine Drosselung der Leistung (sogenanntes „Derating“) zu vermeiden. Auch die genannten benötigten Verbindungskabel führen je nach Länge zu Problemen im Bereich von Störungen (Signalkabel) und Verlusten (Leistungskabel).
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In sogenannten integrierten Antriebsmotoren teilen sich die Leistungselektronik und die Antriebsmaschine das gleiche Gehäuse. So können beispielsweise Komponenten zur Kühlung zusammengelegt werden und dadurch kann Bauraum und Gewicht gespart werden.
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Bei integrierten, modularen Antriebsmaschinen werden einzelne Module bestehend aus Statorzahn und Leistungselektronik gebaut und zu einer Maschine zusammengefügt oder es werden einzelne leistungselektronische Stellglieder mit einem zusammenhängenden Stator zusammengefügt. Hierbei können zusätzlich Produktionskosten eingespart werden.
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Aus der
DE 10 2012 017 293 A1 ist eine integrierte Kühlung im Umfangsabschnitt des Stators bekannt. Dies entspricht jedoch einer Verbesserung einer klassischen Mantelkühlung.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Elektromotoren bzw. Statoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Bei der Integration der Leistungselektronik in das Gehäuse der Antriebsmaschine ist das Gehäuse der Antriebsmaschine größer im Gegensatz zu einer Antriebsmaschine ohne integrierter Leistungselektronik. Es wird zwar Bauraum und Gewicht eingespart, eine vollständige Integration kann so aber nicht erreicht werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Es wäre daher wünschenswert, einen Statorzahn, ein Statorsegment, einen Statorkörper und einen Stator bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Statoren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll die Erfindung ermöglichen, den erforderlichen Bauraum eines Antriebsstranges noch weiter zu vermindern.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird adressiert durch einen Statorzahn, ein Statorsegment, einen Statorkörper und einen Stator mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
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Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf”, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
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Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
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Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
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Ein erfindungsgemäßer Statorzahn für einen Stator einer elektrischen Maschine umfasst ein Joch, das kreisabschnittförmig ausgebildet ist, und einen Polkörper, der an das Joch angrenzt. Der Polkörper erstreckt sich in einer radialen Richtung bezüglich des Jochs. In dem Joch ist eine kanalförmige Nut ausgebildet. Die Nut ist von einer zu der radialen Richtung parallel verlaufenden Mittelebene des Polkörpers geschnitten. In der Nut ist mindestens ein Elektronikbauteil zum Bestromen mindestens einer Wicklung der elektrischen Maschine angeordnet.
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Somit ist bei dem erfindungsgemäßen Statorzahn am Außenradius des Statorzahns im Gegensatz zum Stand der Technik eine Nut ausgespart. Die Nut befindet sich mittig über dem Mittelschenkel eines Statorzahns und hat bei entsprechender Geometrie- und Topologiewahl nur geringfügigen Einfluss auf die elektromagnetischen Verhältnisse in der Maschine. Somit kann die Nut ausgespart werden, ohne dass sich die magnetischen Verhältnisse im verbleibenden Statoreisen nennenswert ändern, wie beispielsweise, dass unter Umständen das Statoreisen in Sättigung gerät. In diese zusätzliche Nut ist die Leistungselektronik eingebracht. Hierdurch wird für die Leitungselektronik kein weiterer Bauraum mehr benötigt und die benötigten Verbindungsstrecken werden deutlich reduziert. Durch die Kombination kann zusätzlich die Wärmeabfuhr von beiden Komponenten gemeinsam ausgeführt werden. Weiterhin können durch die kompakte Bauweise Vorteile hinsichtlich der elektromagnetischen Störungen erzielt werden. Durch das zusätzlich eingesparte Gewicht wird nicht nur die volumetrische, sondern auch die gravimetrische Leistungsdichte erhöht. Durch die Verschmelzung der Hauptkomponenten Elektromotor und Leistungselektronik kann die Wärmeabfuhr effizient kombiniert werden. Darüber hinaus schließen sich die asymmetrischen Störströme direkt in der integrierten Maschine und beeinflussen keine anderen Komponenten. Durch einen modularen und redundanten Aufbau des Motors aus den integrierten Zähnen kann die Ausfallsicherheit der Gesamtmaschine weiter erhöht werden.
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In der Nut können mehrere Elektronikbauteile angeordnet sein. Beispielsweise können mehrere Elektronikbauteile zu einer elektronischen Baugruppe angeordnet sein. Insbesondere können Elektronikbauteile der Leistungselektronik und Signalelektronik (Ansteuerelektronik) vorgesehen sein, welche beide in die Nut eingebracht werden können.
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Die einzelnen Elektronikbauteile werden dabei auf einer Leiterplatte miteinander verbunden. Die Leiterplatte wiederum kann mittels einer Isolationsschicht auf einem Kühlkörper zur Abtrennung zwischen Elektronikbereich und Kühlkanal angeordnet sein.
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Die Nut kann zumindest teilweise zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgebildet sein. Somit ist in die zusätzliche Nut die Kühlung eingebracht, wodurch die Wärmeabfuhr deutlich verbessert wird.
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Ein Mittelpunkt der Nut kann in der Mittelebene des Polkörpers liegen. Somit ist die Nut symmetrisch bezüglich des Polkörpers angeordnet. Dadurch werden die magnetischen Verhältnisse nicht asymmetrisch oder negativ beeinflusst.
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Das Elektronikbauteil oder die elektronische Baugruppe sowie die Trägerplatte können zumindest teilweise und bevorzugt vollständig von einer Vergussmasse umgeben sein. Dadurch ist das Elektronikbauteil zuverlässig vor äußeren, schädlichen Einflüssen geschützt.
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Der Statorzahn kann weiterhin mindestens einen Steg umfassen. Der Steg kann derart in der Nut angeordnet sein, dass der Steg die Nut in einen Elektronikbereich und einen Kühlkanal trennt. Der Kühlkanal kann zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgebildet sein. Das Elektronikbauteil kann auf einer dem Elektronikbereich zugewandten Seite des Stegs angeordnet sein. Damit wird ein Träger zum Tragen des Elektronikbauteils und eine Abtrennung gegenüber dem Kühlmedium mit einem einzigen Bauteil vorgesehen.
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Der Kühlkanal kann auf einer dem Polkörper zugewandten Seite des Stegs ausgebildet sein. Damit ist der Kühlkanal möglichst nahe an demjenigen Bereich des Statorzahns angeordnet, der sich am stärksten erwärmt, so dass die Kühlleistung verbessert wird.
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Der Steg kann mindestens eine Kühlrippe und bevorzugt mehrere Kühlrippen aufweisen. Die Kühlrippen können auf einer dem Kühlkanal zugewandten Seite des Stegs angeordnet sein. Die Kühlrippen erhöhen den Wärmeübergang, so dass die Kühlleistung verbessert wird.
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Der Steg kann integral und bevorzugt monolithisch mit dem Joch ausgebildet sein. Damit wird zum einen eine besonders fluiddichte Trennung zwischen Elektronikbereich und Kühlkanal geschaffen, da keine separaten Dichtungen vorgesehen werden müssen, und zum anderen lässt sich der Kühlkanal durch Herausschneiden oder Herausfräsen in wenigen Arbeitsschritten herstellen bzw. ausbilden.
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Der Statorzahn kann weiterhin mindestens einen Wirbelgenerator umfassen. Der Wirbelgenerator kann zum Erzeugen von Verwirbelungen in dem Kühlmedium ausgebildet sein. Der Wirbelgenerator kann in dem Kühlkanal angeordnet sein. Die von dem Wirbelgenerator erzeugten Verwirbelungen im Kühlmedium erhöhen den Wärmeübergang, so dass die Kühlleistung verbessert wird.
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Die Vergussmasse kann als Kapsel um das Elektronikbauteil ausgebildet sein. Die Kapsel kann in der Nut angeordnet sein. Die Kapsel kann die Nut in einen Elektronikbereich und einen Kühlkanal trennen. Der Kühlkanal kann zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgebildet sein. Das Elektronikbauteil kann in dem Elektronikbereich angeordnet sein. Eine solche Kapsel schützt das Elektronikbauteil zuverlässig vor äußeren, schädlichen Einflüssen.
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Der Kühlkanal kann auf einer dem Polkörper zugewandten Seite der Kapsel ausgebildet sein. Es entsteht die größte Verlustleistung in der Leistungselektronik und Wicklung. Durch die Platzierung des Kühlkanals in Richtung der Wicklung ist der thermische Widerstand geringer, da ein kürzerer Weg vorgesehen wird.
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Die Kapsel kann mittels Spritzpressens hergestellt sein. Damit lässt sich die Kapsel kostengünstig herstellen. Es wird jedoch explizit betont, dass grundsätzlich auch andere Verfahren zum Vorsehen der Kapsel anwendbar sind, wie beispielsweise Spritzgießen.
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Das Elektronikbauteil kann auf einem Kühlkörper angeordnet sein. Der Kühlkörper kann Kühlrippen aufweisen. Die Kühlrippen können auf einer dem Kühlkanal zugewandten Seite des Kühlkörpers angeordnet sein. Die Kühlrippen erhöhen den Wärmeübergang, so dass die Kühlleistung verbessert wird.
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Das Elektronikbauteil kann auf einer Trägerplatte angeordnet sein, wobei die Trägerplatte auf dem Kühlkörper angeordnet oder montiert sein kann. Die Trägerplatte kann beispielsweise eine Leiterplatte sein. Die Trägerplatte kann beispielsweise mittels einer Isolationsschicht auf dem Kühlkörper montiert bzw. angeordnet sein.
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Die Kühlrippen können aus der Kapsel heraus in den Kühlkanal hineinragen. Dadurch wird der Wärmeübergang weiter erhöht, so dass die Kühlleistung noch weiter verbessert wird.
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Die Vergussmasse kann ein Polymer oder Harz sein, wie beispielsweise Epoxidharz. Polymere lassen sich einfach und gut verarbeiten. Ein solches Gießharz ist beispielsweise technisch gut und kostengünstig zu verarbeiten.
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Die Nut kann in radialer Richtung gesehen eine Tiefe aufweisen, die kleiner als eine Dicke des Jochs ist. Damit wird sichergestellt, dass es nur geringe negative magnetische Einflüsse im Statoreisen gibt.
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Die Nut kann sich vollständig entlang einer axialen Abmessung des Jochs erstrecken. Damit wird ausreichend Bauraum für das Elektronikbauteil geschaffen. Außerdem wird somit ein Kühlkanal über die gesamte axiale Länge des Statorzahns geschaffen, so dass dieser entlang seiner gesamten axialen Länge gekühlt werden kann. Außerdem können Anschlüsse für das Kühlmedium, wie beispielsweise Wasseranschlüsse, in axialer Richtung vorgesehen werden.
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Die Nut kann insbesondere in einem Bereich des Jochs eingebracht sein, in dem eine magnetische Feldstärke gering ist. Der Bereich geringer magnetischer Feldstärke ist ein Bereich, in dem die dort innerhalb einer elektrischen Periode maximal auftretende magnetische Induktion so gering ist, dass dort ein Ersetzen des Eisens durch andere Komponenten die magnetische Induktion in den verbleibenden Flusspfaden nicht unzulässig erhöht.
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Ein erfindungsgemäßes Statorsegment umfasst mindestens zwei Statorzähne. Dabei ist mindestens ein Statorzahn davon ein Statorzahn nach einer der vorstehend beschriebenen oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen. Die Statorzähne sind so angeordnet, dass zwischen Polkörpern von zwei benachbarten Statorzähnen ein Wicklungsraum zum Anordnen mindestens einer Wicklung ausgebildet ist. Dadurch können die zuvor beschriebenen Vorteile und technischen Effekte auch bei einem Statorsegment vorgesehen werden, das einen konventionell ausgebildeten Statorzahn aufweisen kann.
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Ein erfindungsgemäßer Statorkörper umfasst eine Mehrzahl von Statorzähnen nach einer der vorstehend beschriebenen oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen oder mindestens zwei Statorsegmente nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Dadurch können die zuvor beschriebenen Vorteile und technischen Effekte auch bei einem Statorkörper vorgesehen werden, der einen konventionell ausgebildeten Statorzahn aufweisen kann.
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Ein erfindungsgemäßer Stator umfasst eine Mehrzahl von Statorzähnen nach einer der vorstehend beschriebenen oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen und/oder mindestens zwei Statorsegmente nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und/oder einen Statorkörper nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, und mindestens eine Wicklung.
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Somit ist bei dem erfindungsgemäßen Stator am Außenradius des Statorzahns im Gegensatz zum Stand der Technik eine Nut ausgespart. Die Nut befindet sich mittig über dem Mittelschenkel eines Statorzahns und hat bei entsprechender Geometrie- und Topologiewahl nur geringfügigen Einfluss auf die elektromagnetischen Verhältnisse in der Maschine. Somit kann die Nut ausgespart werden, ohne dass die magnetischen Verhältnisse im restlichen Statoreisen sich nennenswert bzw. signifikant ändern. In diese zusätzliche Nut ist die Leistungselektronik eingebracht. Hierdurch wird für die Leitungselektronik kein weiterer Bauraum mehr benötigt und die benötigten Verbindungsstrecken werden deutlich reduziert. Durch die Kombination kann zusätzlich die Wärmeabfuhr von beiden Komponenten gemeinsam ausgeführt werden. Weiterhin können durch die kompakte Bauweise Vorteile hinsichtlich der elektromagnetischen Störungen erzielt werden. Durch das zusätzlich eingesparte Gewicht wird nicht nur die volumetrische, sondern auch die gravimetrische Leistungsdichte erhöht. Durch die Verschmelzung der Hauptkomponenten Elektromotor und Leistungselektronik kann die Wärmeabfuhr effizient kombiniert werden. Darüber hinaus schließen sich die asymmetrischen Störströme direkt in der integrierten Maschine und beeinflussen keine anderen Komponenten. Durch den modularen und redundanten Aufbau des Motors aus den integrierten Zähnen kann die Ausfallsicherheit der Gesamtmaschine weiter erhöht werden.
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Der Begriff „Stator“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf den feststehenden, unbeweglichen Teil einer elektrischen Maschine beziehen, wie beispielsweise eines Elektromotors. Der Stator kann zugleich das Gehäuse bei Elektromotoren sein. In der Regel wird noch ein zusätzliches Gehäuse verbaut. Der Stator dient üblicherweise als gemeinsamer Kern für die Induktionsspulen. Ein Stator umfasst beispielsweise mindestens eine Wicklung oder Spule.
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Der Begriff „Statorkörper“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf denjenigen Teil eines Stators beziehen, der als gemeinsamer Kern für die Induktionsspulen ausgebildet ist. Ein Statorkörper ist somit ein Stator ohne Spule oder Wicklung. Der Statorkörper wird von mehreren miteinander verbundenen Statorsegmenten und/oder Statorzähnen gebildet. Der Statorkörper ist insbesondere als geschlossenen Bauteil ausgebildet, beispielsweise durch kreisförmige Anordnung der Statorsegmente oder Statorzähne um einen gemeinsamen Mittelpunkt.
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Der Begriff „Statorsegment“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen segmentförmigen Abschnitt oder Teil eines Statorkörpers beziehen. Insbesondere bilden mehrere miteinander verbundene Statorsegmente einen Statorkörper. Das Statorsegment wiederum wird von mindestens zwei Statorzähnen gebildet.
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Der Begriff „Statorzahn“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf denjenigen Teil eines Statorsegments beziehen, der ein Joch und einen Polkörper aufweist bzw. umfasst. Das Joch erstreckt sich dabei teilkreisförmig bzw. in einer Umfangsrichtung um einen imaginären Mittelpunkt. Der Polkörper steht von dem Joch vor und erstreckt sich in radialer Richtung zu dem imaginären Mittelpunkt der teilkreisförmigen Erstreckung des Jochs.
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Der Begriff „Polkörper“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf denjenigen Teil eines Statorzahns beziehen, der sich in einer radialen Richtung zu einem imaginären Mittelpunkt erstreckt und in einem sogenannten Polschuh endet.
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Der Begriff „Joch“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf denjenigen Teil eines Statorzahns beziehen, der sich in einer Umfangsrichtung um einen imaginären Mittelpunkt erstreckt.
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Der Begriff „elektrische Maschine“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine in der elektrischen Energietechnik eingesetzte Maschine beziehen und stellt eine Form von Energiewandler dar. Es wird unterschieden zwischen rotierenden elektrischen Maschinen, dazu zählen verschiedene Typen von Elektromotoren und elektrischen Generatoren, und ruhenden elektrischen Maschinen, zu denen Transformatoren gehören. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff insbesondere die rotierenden elektrischen Maschinen, die einen Stator aufweisen. Allen elektrischen Maschinen gemeinsam ist, dass sie in ihrem Aufbau über einen magnetischen Kreis verfügen, der für die Funktion wesentlich ist. Elektrische Maschinen nutzen die Eigenschaften der elektromagnetischen Wechselwirkung und basieren auf der elektromagnetischen Induktion und magnetischen Kraftwirkungen, die durch die Lorentzkraft, und bei einigen Maschinentypen durch die Reluktanzkraft, beschrieben werden. Elektrische Maschinen haben verschiedenartig angeordnete Drahtspulen, die vom elektrischen Strom durchflossen werden. Der dabei auftretende magnetische Fluss wird in einem Eisenkern, der auch als magnetischer Kreis bezeichnet wird, gezielt geführt. Dieser Kern besteht aus Materialien, die den magnetischen Fluss gut leiten können, beispielsweise aus geschichtetem Elektroblech. Die Schichtung dient zusammen mit der einseitigen Isolierung der Blechpartien der Unterdrückung von unerwünschten Wirbelströmen. Bei drehenden Maschinen sind der Stator und der Rotor, bei manchen Maschinen auch als Anker bezeichnet, wesentliche Bestandteile. Die in beiden jeweils erzeugten Magnetfelder bewirken durch die damit erzeugten Kräfte eine gezielte (einmalige oder dauerhafte) Bewegung der Maschinenteile gegeneinander. Zur elektrischen Isolation der stromdurchflossenen Teile gegeneinander und gegenüber der äußeren Umgebung weisen elektrische Maschinen Isolationsbereiche auf. Zur mechanischen Stabilisierung der Maschine dienen mechanische Trag- und Stützkonstruktionen sowie eventuell Lager zur Führung von beweglichen Teilen. Die radial verlaufenden Polkörper sind insbesondere im umfangsseitigen Joch zusammengeführt und weisen am Polkörperende beidseitig in Umfangsrichtung weisende Laschen (Pollaschen) auf. Dadurch bilden die Statorzähne an den dem Joch gegenüberliegenden Freienden üblicherweise sehr eng beieinanderliegende kreissegmentförmige Polschuhe aus, die das magnetische Erregerfeld entsprechend kreissegmentförmig auf einen Rotor (Anker) verteilen.
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Der Begriff „Elektromotor“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen elektromechanischen Wandler (elektrische Maschine) beziehen, der elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt. In herkömmlichen Elektromotoren erzeugen stromdurchflossene Leiterspulen Magnetfelder, deren gegenseitige Anziehungs- und Abstoßungskräfte in Bewegung umgesetzt werden. Damit ist der Elektromotor sehr ähnlich aufgebaut zum Generator, der Bewegungsleistung in elektrische Leistung umwandelt. Der Unterschied zwischen Elektromotor und Generator ist lediglich die Betriebsweise. Zudem ermöglichen fast alle elektrischen Maschinen sowohl Motor- und Generatorbetrieb. Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen, sie können aber auch für translatorische Bewegungen gebaut sein (Linearantrieb). Elektromotoren werden zum Antrieb vieler Gerätschaften, Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge eingesetzt.
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Der Begriff „Kühlmedium“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein gasförmige, flüssige oder feste Stoffe oder Stoffgemische beziehen, die zum Abtransport von Wärme eingesetzt werden. Im Unterschied dazu ist ein Kältemittel fähig, in einem Kältezyklus entgegen einem Temperaturgradienten sogar mit höherer als der Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes zu operieren. Ein Kühlmittel ist lediglich in der Lage, in einem Kühlzyklus die Enthalpie (Wärmeenergie) entlang des Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer Temperatur transportieren. Kühlmedien können das zu kühlende Bauteil bzw. Kühlgut direkt oder über einen Wärmetauscher kühlen. Bei dem Kühlmedium kann es sich beispielsweise um Wasser handeln. Bei der Durchlaufkühlung wird das erwärmte Wasser nach einmaligem Gebrauch abgeleitet. Bei der Zirkulationskühlung strömt das Kühlwasser in einem Kühlkreislauf und dient dem Transport von Wärmeenergie durch Konvektion. In beiden Fällen spricht man von Wasserkühlung.
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Der Begriff „Elektronikbauteil“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung.
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Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen wesentlichen Bestandteil einer elektrischen Schaltung beziehen, der physisch nicht weiter unterteilt werden kann, ohne seine Funktion zu verlieren. Der Begriff steht für einen Träger einer physikalischen oder elektronisch realisierbaren Eigenschaft, auch in der Form eines idealisierten Bauelementes, oder ein reales (diskretes) Bauelement. Das elektronische Bauteil kann aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt sein, wie zum Beispiel: Spulenkörper + Draht + Kern = Spule, mit der elektrischen Eigenschaft Induktivität. Wichtige elektrische bzw. elektronische Bauelemente sind Spannungsquelle, Widerstand, Kondensator, Spule, Diode, Transistor und integrierte Schaltung.
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Der Begriff „Nut“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine längliche Vertiefung beziehen. Eine Nut kann hergestellt werden beispielsweise mittels spanender Bearbeitung mit einer Fräse, eines Lasers und Sägen.
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Der Begriff „Tiefe der Nut“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Abmessung parallel zu einer radialen Richtung des Polkörpers des Statorzahns beziehen.
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Der Begriff „Dicke des Jochs“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Abmessung parallel zu einer radialen Richtung des Polkörpers des Statorzahns beziehen.
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Der Begriff „Kanal“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine röhrenförmige Fluidverbindung beziehen, durch die ein Medium fließen oder strömen kann.
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Der Begriff „Wirbelgenerator“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Bauteil beziehen, das zum Erzeugen von Verwirbelungen ausgebildet ist. Die Verwirbelungen werden dabei erfindungsgemäß in dem Kühlmedium erzeugt, um den Wärmeübergang zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlmedium zu verbessern. Ein solcher Wirbelgenerator kann dabei ein Einbauteil sein oder eine kleine künstlich aufgebrachte Oberflächenstörung, die eine laminare Grenzschicht in eine turbulente überführt.
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Der Begriff „Kapsel“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Hülle beziehen, die ein Bauteil zumindest teilweise und bevorzugt vollständig umgibt. Die Kapsel kann in Form eines meist runden Behälters ausgebildet sein.
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Der Begriff „Spritzpressen“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Duroplasten und Elastomeren beziehen. Bei dem Spritzpressen kann es sich insbesondere um das sogenannte Resin Transfer Moulding handeln. Im Vergleich zum Pressen wird hierbei die Formmasse mittels Kolben von einer meist beheizten Vorkammer über Verteilerkanäle in das Formnest eingespritzt, worin sie unter Wärme und Druck aushärtet. Als Formmasse können Formaldehydharze (PF, MF usw.) und Reaktionsharze (UP, EP) mit kleinen Füllstoffpartikeln und Elastomere verwendet werden.
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Der Begriff „Trägerplatte“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein plattenförmiges Bauteil beziehen, das zum Tragen eines Elektronikbauteils ausgebildet ist. Die Trägerplatte kann aus Kunststoff oder allgemein aus einem nicht-metallischen Material hergestellt sein. Die Trägerplatte kann insbesondere eine Leiterplatte sein. Sie dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung. Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden, leitenden Verbindungen (Leiterbahnen). Als isolierendes Material ist faserverstärkter Kunststoff, bei günstigeren Geräten Hartpapier, üblich. Die Leiterbahnen werden zumeist aus einer dünnen Schicht Kupfer, üblich sind 35 µm, geätzt. Die Bauelemente werden auf Lötflächen (Pads) oder in Lötaugen gelötet. So werden sie an diesen footprints gleichzeitig mechanisch gehalten und elektrisch verbunden. Größere Komponenten können auch mit Kabelbindern, Klebstoff oder Verschraubungen auf der Leiterplatte befestigt werden.
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Der Begriff „Kühlkörper“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Körper beziehen, der die wärmeabgebende Oberfläche eines wärmeproduzierenden Bauteils vergrößert. Damit kann einer möglichen Beschädigung durch Überhitzung vorgebeugt werden. Ein Kühlkörper hat die Aufgabe, Verlustwärme durch Wärmeleitung vom wärmeerzeugenden Bauelement wegzuleiten und diese dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Um den Wärmewiderstand möglichst gering zu halten, ist es zu bevorzugen, dass der Kühlkörper aus gut wärmeleitendem Material hergestellt ist. Kühlkörper bestehen üblicherweise aus einem gut wärmeleitfähigen Metall, meist Aluminium oder Kupfer. Eine neuere Entwicklung sind Kühlkörper aus keramischen Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid.
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Der Begriff „Kühlrippe“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Bauteil beziehen, das zur Vergrößerung der Oberfläche eines Körpers dient, um die Wärmeübertragung an die Umgebung und damit die Kühlung zu verbessern. Gerippte Oberflächen können dabei Teil der wärmeerzeugenden Maschine selbst sein, etwa an einem Motorblock, oder auch als davon getrenntes Bauteil ausgeführt werden. Solche Kühlkörper können wiederum in direktem mechanischen Kontakt mit der Wärmequelle stehen oder über ein zusätzliches Medium mit ihr verbunden werden, wie es beispielsweise bei der Wasserkühlung praktiziert wird. Kühlkörper sorgen passiv oder als Teil einer aktiven Kühlung für die Einhaltung einer zulässigen Betriebstemperatur von Maschinen, elektrischen und elektronischen Systemen.
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Der Begriff „Vergussmasse“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine fließfähige Masse beziehen, die zum Schützen von elektrischen und elektronischen Bauteilen verwendet wird. Die Vergussmasse kann insbesondere eine aus Harz hergestellte fließfähige Masse sein. In der elektronischen Baugruppenfertigung wird damit Elektronik, Sensortechnik sowie Lichtelektronik vor Klimaeinflüssen und aggressiven Medien geschützt, teilweise durch Vergießen des gesamten Gehäuses. Bei der Vergussmasse kann es sich insbesondere um ein Gießharz und/oder Epoxidharz handeln. Aber auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar, wie beispielweise duromere Vergussmassen, Thermoplaste, Silikonelastomer oder Silikonkautschuk.
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Zusammenfassend werden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, folgende Ausführungsformen vorgeschlagen:
- Ausführungsform 1: Statorzahn für einen Stator einer elektrischen Maschine, umfassend ein kreisabschnittförmiges Joch und einen Polkörper, der an das Joch angrenzt, wobei sich der Polkörper in einer radialen Richtung bezüglich des Jochs erstreckt, wobei in dem Joch eine kanalförmige Nut ausgebildet ist, wobei die Nut von einer zu der radialen Richtung parallel verlaufenden Mittelebene des Polkörpers geschnitten ist, wobei in der Nut mindestens ein Elektronikbauteil zum Bestromen mindestens einer Wicklung der elektrischen Maschine angeordnet ist.
- Ausführungsform 2: Statorzahn nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Nut zumindest teilweise zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgebildet ist.
- Ausführungsform 3: Statorzahn nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei ein Mittelpunkt der Nut innerhalb der Mittelebene des Polkörpers liegt.
- Ausführungsform 4: Statorzahn nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Elektronikbauteil zumindest teilweise und bevorzugt vollständig von einer Vergussmasse umgeben ist.
- Ausführungsform 5: Statorzahn nach der vorhergehenden Ausführungsform, weiterhin umfassend mindestens einen Steg, wobei der Steg in der Nut derart angeordnet ist, dass der Steg die Nut in einen Elektronikbereich und einen Kühlkanal trennt, wobei der Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgebildet ist, wobei das Elektronikbauteil auf einer dem Elektronikbereich zugewandten Seite des Stegs angeordnet ist.
- Ausführungsform 6: Statorzahn nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Kühlkanal auf einer dem Polkörper zugewandten Seite des Stegs ausgebildet ist.
- Ausführungsform 7: Statorzahn nach einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Steg Kühlrippen aufweist, wobei die Kühlrippen auf einer dem Kühlkanal zugewandten Seite des Stegs angeordnet sind.
- Ausführungsform 8: Statorzahn nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Steg integral und bevorzugt monolithisch mit dem Joch ausgebildet ist.
- Ausführungsform 9: Statorzahn nach einer der vier vorhergehenden Ausführungsformen, weiterhin umfassend mindestens einen Wirbelgenerator, wobei der Wirbelgenerator zum Erzeugen von Verwirbelungen in dem Kühlmedium ausgebildet ist, wobei der Wirbelgenerator in dem Kühlkanal angeordnet ist.
- Ausführungsform 10: Statorzahn nach Ausführungsform 4, wobei die Vergussmasse als Kapsel um das Elektronikbauteil ausgebildet ist, wobei die Kapsel in der Nut angeordnet ist, wobei die Kapsel die Nut in einen Elektronikbereich und einen Kühlkanal trennt, wobei der Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgebildet ist, wobei das Elektronikbauteil in dem Elektronikbereich angeordnet ist.
- Ausführungsform 11: Statorzahn nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Kühlkanal auf einer dem Polkörper zugewandten Seite der Kapsel ausgebildet ist.
- Ausführungsform 12: Statorzahn nach einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Kapsel mittels Spritzpressens hergestellt ist.
- Ausführungsform 13: Statorzahn nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Elektronikbauteil auf einem Kühlkörper angeordnet ist, wobei der Kühlkörper Kühlrippen aufweist, wobei die Kühlrippen auf einer dem Kühlkanal zugewandten Seite des Kühlkörpers angeordnet sind.
- Ausführungsform 14: Statorzahn nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Kühlrippen aus der Kapsel heraus in den Kühlkanal hineinragen.
- Ausführungsform 15: Statorzahn nach einer der Ausführungsformen 4 bis 14, wobei die Vergussmasse ein Polymer oder Harz ist, insbesondere Epoxidharz.
- Ausführungsform 16: Statorzahn nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Nut in radialer Richtung gesehen eine Tiefe aufweist, die kleiner als eine Dicke des Jochs ist.
- Ausführungsform 17: Statorzahn nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei sich die Nut vollständig entlang einer axialen Abmessung des Jochs erstreckt.
- Ausführungsform 18: Statorsegment, umfassend mindestens zwei Statorzähne, wobei mindestens ein Statorzahn davon ein Statorzahn nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen ist, wobei die Statorzähne so angeordnet sind, dass zwischen Polkörpern von zwei benachbarten Statorzähnen ein Wicklungsraum zum Anordnen mindestens einer Wicklung ausgebildet ist.
- Ausführungsform 19: Statorkörper, umfassend eine Mehrzahl von Statorzähnen nach einer der Ausführungsformen 1 bis 17 oder mindestens zwei Statorsegmente nach der vorhergehenden Ausführungsform.
- Ausführungsform 20: Stator, umfassend eine Mehrzahl von Statorzähnen nach einer der Ausführungsformen 1 bis 17 und/oder mindestens zwei Statorsegmente nach Ausführungsform 18 und/oder einen Statorkörper nach der vorhergehenden Ausführungsform, und mindestens eine Wicklung.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
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Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Statorzahns gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Querschnittsansicht des Statorzahns;
- 3 eine weitere Querschnittsansicht des Statorzahns;
- 4 eine Querschnittsansicht eines Statorzahns gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 5 eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Statorzahns 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Statorzahns 100. 3 zeigt eine weitere Querschnittsansicht des Statorzahns 100. Der Statorzahn 100 umfasst ein Joch 102 und einen Polkörper 104. Das Joch 102 ist kreisabschnittförmig ausgebildet. Entsprechend ist das Joch 102 gekrümmt ausgebildet. Beispielweise erstreckt sich das Joch 102 als Teilkreis in einer Umfangsrichtung 106 um einen Mittelpunkt 108.
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Der Polkörper 104 grenzt an das Joch 102 an. Genauer steht der Polkörper 104 von dem Joch 102 vor. Dabei erstreckt sich der Polkörper 104 in einer radialen Richtung 110 bezüglich des Jochs 102.
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In dem Joch 102 ist eine kanalförmige Nut 112 ausgebildet. Die Nut 112 ist oder wird von einer zu der radialen Richtung 110 parallel verlaufenden Mittelebene 114 des Polkörpers 104 geschnitten. Bei der gezeigten Ausführungsform liegt ein Mittelpunkt 116 der Nut 112 innerhalb der Mittelebene 114 des Polkörpers 104. Die Nut 112 ist zumindest teilweise zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgebildet. Die Nut 112 weist in radialer Richtung 110 gesehen eine Tiefe 118 auf, die kleiner als eine Dicke 120 des Jochs 102 ist. Die Nut 112 erstreckt sich bevorzugt vollständig entlang einer axialen Abmessung des Jochs 102.
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In der Nut 112 ist ein Elektronikbauteil 122 angeordnet. Das Elektronikbauteil 122 kann fest mit dem Statorzahn 100 verbunden sein. Das Elektronikbauteil 122 ist zum Bestromen mindestens einer Wicklung 124 (3 und 5) einer elektrischen Maschine 126 ( 5) ausgebildet.
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Der Statorzahn 100 umfasst weiterhin mindestens einen Steg 128. Der Steg 128 ist derart in der Nut 112 angeordnet, dass der Steg 128 die Nut 112 in einen Elektronikbereich 130 und einen Kühlkanal 132 trennt bzw. unterteilt. Dabei ist der Kühlkanal 132 zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgebildet. Insbesondere trennt der Steg 128 den Elektronikbereich 130 gegenüber dem Kühlkanal 132 mediendicht gegenüber dem Kühlmedium ab. Der Kühlkanal 132 ist auf einer dem Polkörper 104 zugewandten Seite 134 des Stegs 128 ausgebildet. Das Elektronikbauteil 122 ist auf einer dem Elektronikbereich 130 zugewandten Seite 136 des Stegs 128 angeordnet. Wie weiter gezeigt ist, weist der Steg 128 Kühlrippen 138 auf. Die Kühlrippen 138 sind auf einer dem Kühlkanal 132 bzw. Polkörper 104 zugewandten Seite 134 des Stegs 128 angeordnet. Der Steg 128 ist integral mit dem Joch 102 ausgebildet. Bevorzugt ist der Steg 128 monolithisch mit dem Joch 102 ausgebildet. Der Steg 128 kann beispielsweise durch Sägen oder Laserschneiden ausgebildet werden. Mit anderen Worten wird beim Ausbilden der Nut 112 aus dem Joch 102 Material durch Sägen oder Laserschneiden entfernt, so dass der Steg 128 zurückbleibt. Auf diesen Steg 128 wird das Elektronikbauteil 122 angeordnet und befestigt, beispielsweise lösbar mittels Schrauben oder unlösbar mittels Kleber oder dergleichen. Insbesondere ist das Elektronikbauteil auf einer Trägerplatte 139 angeordnet. Die Trägerplatte 139 kann beispielsweise eine Leiterplatte sein. Die Trägerplatte 139 wiederum kann auf dem Steg 128 mittels einer Isolationsschicht 140 angeordnet bzw. befestigt sein.
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Wie in 3 gezeigt, wird während eines Betriebs der elektrischen Maschine 126 die mindesten eine Wicklung 124 bestromt. Dabei entsteht Wärme. Ein Teil der an der Wicklung 124 entstehenden Wärme wird nach außen durch das Joch 102 abgeführt, wie durch Pfeile 141 angedeutet ist. Ein anderer Teil der an der Wicklung 124 entstehenden Wärme wird in Richtung zu der Nut 112 und dem Kühlkanal 132 abgeführt, wie durch Pfeile 142 angedeutet ist, da durch den Kühlkanal 132 das Kühlmedium hindurchgeleitet wird, weshalb es dort kühler ist. Die an dem Elektronikbauteil 122 entstehende Wärme wird in Richtung zu der Nut 112 und dem Kühlkanal 132 abgeführt, wie durch Pfeile 144 angedeutet ist, da durch den Kühlkanal 132 das Kühlmedium hindurchgeleitet wird, weshalb es dort kühler ist.
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Optional kann der Statorzahn 100 weiterhin mindestens einen Wirbelgenerator (nicht näher gezeigt) aufweisen. Der Wirbelgenerator ist zum Erzeugen von Verwirbelungen in dem Kühlmedium ausgebildet. Der Wirbelgenerator ist in dem Kühlkanal 132 angeordnet. Dadurch wird der Wärmeübergang der Abwärme des Elektronikbauteils 122 auf das Kühlmedium weiter verbessert.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Statorzahns 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu dem Statorzahn 100 der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Merkmale und Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen angegeben.
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Bei dem Statorzahn 100 der zweiten Ausführungsform ist das Elektronikbauteil 122 zumindest teilweise und bevorzugt vollständig von einer Vergussmasse 146 umgeben. Die Vergussmasse 146 ist ein Harz, wie beispielsweise Epoxidharz. Alternativ kann die Vergussmasse 146 ein Polymer sein. Insbesondere ist die Vergussmasse 146 als Kapsel 148 um das Elektronikbauteil 122 ausgebildet. Die Kapsel 148 ist in der Nut 112 angeordnet bzw. in diese eingesetzt. Die Kapsel 148 trennt bzw. teilt die Nut 112 in einen Elektronikbereich 130 und einen Kühlkanal 132. Der Kühlkanal 132 ist zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgebildet. Dabei ist das Elektronikbauteil 122 in dem Elektronikbereich 130 angeordnet. Der Kühlkanal 132 ist auf einer dem Polkörper 104 zugewandten Seite der Kapsel 148 ausgebildet. Die Kapsel 148 ist beispielsweise mittels Spritzpressens hergestellt, wie beispielsweise mittels Resin Transfer Moulding.
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Wie weiter gezeigt ist, ist das Elektronikbauteil 122 auf einem Kühlkörper 150 angeordnet. Der Kühlkörper 150 ist aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Beispielsweise ist der Kühlkörper 150 aus Aluminium hergestellt. Der Kühlkörper 150 weist Kühlrippen 138 auf. Die Kühlrippen 138 sind auf einer dem Kühlkanal 132 zugewandten Seite 134 des Kühlkörpers 150 angeordnet. Dabei ragen die Kühlrippen 138 aus der Kapsel 148 heraus in den Kühlkanal 132 hinein. Mit anderen Worten durchdringen die Kühlrippen 138 die Kapsel 148 bzw. sind nicht von dieser vollständig eingeschlossen, ragen aber in den Kühlkanal 132. Dadurch wird einerseits das Elektronikbauteil 122 zuverlässig vor dem Kühlmedium geschützt, kann aber die entstehende Wärme zuverlässig und gut auf das Kühlmedium übertragen.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine 126. Die elektrische Maschine 126 ist lediglich beispielhaft als Elektromotor ausgebildet. Wie gezeigt sind mehrere Statorzähne 100 kreisförmig miteinander verbunden. Auf diese Weise bilden die Statorzähne 100 einen Statorkörper 152. Bei der gezeigten Ausführungsform bilden beispielsweise 18 Statorzähne 100 den Statorkörper 152. Weiterhin bilden immer mindestens zwei Statorzähne 100 ein Statorsegment 154. Die Statorzähne 100 sind so angeordnet, dass zwischen Polkörpern 104 von zwei benachbarten Statorzähnen 100 ein Wicklungsraum 156 zum Anordnen mindestens einer Wicklung 124 ausgebildet ist. Mindestens ein Statorzahn 100 eines solchen Statorsegments 154 ist ein Statorzahn 100 nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen. Mit anderen Worten ist es möglich, dass nicht jeder Statorzahn mit der erfindungsgemäßen Nut 112 zum Anordnen des Elektronikbauteils 122 darin ausgebildet ist. Es versteht sich, dass jedoch jeder Statorzahn 100 ein erfindungsgemäßer Statorzahn 100 mit der erfindungsgemäßen Nut 112 zum Anordnen des Elektronikbauteils 122 darin sein kann, wie in 5 gezeigt ist. Zusammen mit mindestens einer Wicklung 124 bildet der Statorkörper 152 einen Stator 158 der elektrischen Maschine 126. Die Wicklung 124 kann grundsätzlich als sogenannte geteilte Wicklung 124 oder als Zahnspulenwicklung ausgebildet sein. Die elektrische Maschine 126 weist weiterhin einen Rotor 160 und eine Welle 162 auf. Der Rotor 160 ist mit der Welle 162 drehfest verbunden bzw. auf dieser angeordnet und in dem Stator 158 drehbar gelagert.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Statorzahn
- 102
- Joch
- 104
- Polkörper
- 106
- Umfangsrichtung
- 108
- Mittelpunkt Joch
- 110
- radiale Richtung
- 112
- Nut
- 114
- Mittelebene
- 116
- Mittelpunkt
- 118
- Tiefe
- 120
- Dicke
- 122
- Elektronikbauteil
- 124
- Wicklung
- 126
- elektrische Maschine
- 128
- Steg
- 130
- Elektronikbereich
- 132
- Kühlkanal
- 134
- dem Kühlkanal bzw. Polkörper zugewandte Seite des Stegs
- 136
- dem Elektronikbereich zugewandten Seite des Stegs
- 138
- Kühlrippe
- 139
- Trägerplatte
- 140
- Isolationsschicht
- 141
- Abfuhrrichtung Wärme
- 142
- Abfuhrrichtung Wärme
- 144
- Abfuhrrichtung Wärme
- 146
- Vergussmasse
- 148
- Kapsel
- 150
- Kühlkörper
- 152
- Statorkörper
- 154
- Statorsegment
- 156
- Wicklungsraum
- 158
- Stator
- 160
- Rotor
- 162
- Welle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012017293 A1 [0006]
