EP4229738A1 - Stator mit integrierter kühlung, verfahren zur herstellung eines stators und elektrische maschine - Google Patents

Stator mit integrierter kühlung, verfahren zur herstellung eines stators und elektrische maschine

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Publication number
EP4229738A1
EP4229738A1 EP21790911.8A EP21790911A EP4229738A1 EP 4229738 A1 EP4229738 A1 EP 4229738A1 EP 21790911 A EP21790911 A EP 21790911A EP 4229738 A1 EP4229738 A1 EP 4229738A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
yoke
cooling channel
cooling
pole teeth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21790911.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Astrid Haas
Wilhelm Hackmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Vitesco Technologies Germany GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Vitesco Technologies Germany GmbH filed Critical Vitesco Technologies Germany GmbH
Publication of EP4229738A1 publication Critical patent/EP4229738A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
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    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/197—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil in which the rotor or stator space is fluid-tight, e.g. to provide for different cooling media for rotor and stator

Definitions

  • the invention relates to a stator for an electrical machine, the stator having a yoke which is designed in the shape of a circular ring and has a plurality of pole teeth.
  • a stator winding designed as a mat is arranged between the pole teeth, a cooling channel through which a cooling medium can flow for cooling the stator being formed between the yoke and the stator winding and/or between the stator winding and a pole shoe of a pole tooth.
  • the invention relates to a method for producing the stator according to the invention, and an electrical machine with the stator according to the invention.
  • a stator for an electrical machine is known in principle.
  • different cooling concepts for stators are known in order to cool them during the operation of the electrical machine.
  • end windings are cooled by ambient air that is sucked in and is blown out in the radial direction of the stator. Cooling the winding overhangs alone is often not sufficient to efficiently cool the electrical machine or the stator.
  • a cooling channel can be formed between a stator and a housing surrounding the stator in order to be able to cool an outer jacket surface of the stator, as is described in EP 3 127 223 B1, for example. External cooling of the stator can lead to an increased space requirement.
  • a stator for an electrical machine of a motor vehicle having a ring-shaped yoke with an inner side facing inward in the radial direction of the yoke, a plurality of pole teeth being positively connected to the yoke on the inner side of the yoke, and the pole teeth are arranged spaced apart from one another in the circumferential direction of the yoke, a stator winding designed as a mat, which is arranged between the pole teeth, a first cooling duct through which a cooling medium can flow, which extends in the longitudinal direction of the stator, the first cooling duct being arranged in a recess which extends outwards in the radial direction of the yoke, starting from the inside of the yoke between two adjacent pole teeth, the first cooling channel at least partially bears directly against a wall defining the recess and/or partially bears directly against the stator winding, and/or a cooling channel with a cooling A second cooling channel through which a
  • one aspect of the invention is that a stator for an electric machine of a motor vehicle is specified.
  • the electric machine is preferably used in the drive train of the motor vehicle.
  • the electrical machine can preferably be a traction drive.
  • the motor vehicle can be a partially or fully electrically powered motor vehicle.
  • the stator has an annular yoke.
  • the yoke is formed by a plurality of ring-shaped stamped metal sheets, which are arranged one behind the other in the axial direction of the stator and are connected to one another.
  • the connection can be an adhesive connection and/or a welded connection and/or an embossed connection.
  • the yoke has an inner side on a side directed inwards in the radial direction of the stator or the yoke.
  • a plurality of pole teeth are arranged at least partially in a form-fitting manner, the pole teeth being arranged spaced apart from one another in the circumferential direction of the yoke.
  • At least partially positively connected means that, in addition to the positive connection between the pole tooth and the yoke, a material connection can also be provided, for example, in order to increase the rigidity of the connection of the pole teeth to the yoke.
  • the distance between the pole teeth, in particular a pole shaft of the pole teeth, in the circumferential direction of the yoke is preferably a uniform and/or regular distance.
  • the pole teeth can each be designed as a single tooth. It is also conceivable that the pole teeth are connected to one another via a narrow web on an outside facing away from the yoke. In other words, each pole tooth has a pole shoe on a side facing away from the yoke, it being possible for the pole shoe of two adjacent pole teeth to be connected to one another.
  • a stator winding is arranged between the pole teeth, which winding extends in the longitudinal direction of the stator and is formed into a winding overhang at the front and/or end of the stator.
  • the stator winding is designed as a mat.
  • Such a stator winding can also be referred to as an endless winding and/or a shaped wire winding.
  • the mat is characterized by the fact that the three conductors U, V, W are formed in one plane to form a shaped wire structure before they are placed on the pole teeth and are then inserted between the pole teeth.
  • the electrical conductors of the mat are made of copper or at least partially have copper.
  • the electrical conductors have an essentially rectangular cross-section, based on its longitudinal direction.
  • the conductors can have an insulating coating, so that the layers of the stator winding are electrically isolated from one another.
  • a recess extending outwards in the radial direction of the yoke is formed between two pole teeth which are arranged next to one another.
  • the recess can preferably also be referred to as a groove, which extends in the longitudinal direction of the yoke between the pole teeth, the groove opening being directed inwards in the radial direction of the yoke.
  • a first cooling channel through which a cooling medium can flow is arranged and/or formed in the recess and extends in the longitudinal direction of the stator. At least in sections, the first cooling channel bears directly against a wall defining the recess and/or in sections directly against the stator winding.
  • Directly adjacent means that a wall material forming the first cooling channel is in direct contact with the yoke and/or with an insulating sheathing of an electrical conductor of the stator winding.
  • the first cooling channel is consequently arranged in the recess, as a result of which cooling integrated in the stator is provided. Due to the direct, ie immediate, contact of the first cooling channel to the yoke or to the stator winding, the stator can be cooled directly at the stator winding, whereby the cooling of the stator can be increased and the performance of the electrical machine can be increased.
  • a second cooling duct through which the cooling medium can flow is formed between a winding inside of the stator winding pointing inwards in the radial direction of the stator and a pole shoe of the pole tooth. At least in sections, the second cooling duct bears directly against the stator winding and/or the pole shoe.
  • Directly means that a wall material forming the second cooling channel is in direct contact with an electrical conductor of the stator winding or with the pole tooth.
  • the second cooling channel is thus arranged between the pole teeth in the immediate vicinity of the inside of the stator. Due to the direct, i.e. immediate, contact of the first cooling channel with the stator winding or the pole shoe, the stator can be cooled directly on the stator winding close to a rotor, whereby the cooling of the stator can be increased and the performance of the electrical machine can be increased.
  • the installation space of the stator and/or the electrical machine can also be reduced by the cooling integrated in the stator as a result of the first cooling channel and/or the second cooling channel.
  • the cooling medium is preferably a cooling liquid.
  • the coolant can be oil or water.
  • the first cooling duct runs to the inside of the yoke.
  • the stator winding is guided in an intermediate space between the pole teeth, in relation to the radial direction of the yoke, to the inside, and the first cooling channel bears directly, at least in sections, against the stator winding.
  • the intermediate space can be filled up to the maximum with the stator winding, as a result of which a high level of efficiency of the electrical machine can be achieved.
  • the arrangement of the cooling channel in the recess of the yoke with direct contact to the stator winding allows efficient cooling.
  • the first cooling channel is guided, starting from the recess, into an intermediate space between the pole teeth.
  • the stator can be cooled not only at the level of the yoke, based on its circumferential direction, but also at the level of the pole teeth, based on the circumferential direction of the stator. Effective cooling in the area of the stator winding can thus be achieved.
  • stator winding is designed in one layer in relation to the radial direction of the stator, with a side of the single-layer stator winding pointing outwards in the radial direction of the stator against the first cooling duct at least in sections and/or a side directed inwards in the radial direction of the stator bears against the second cooling duct.
  • stator winding is designed in multiple layers with respect to the radial direction of the stator, and is designed in one layer between two pole teeth with respect to the circumferential direction of the stator. Due to the single-layer arrangement of the stator winding between two pole teeth, based on the circumferential direction of the stator, the stator winding can be inserted in a simple manner. If the gap between two pole teeth in the circumferential direction of the stator is insignificantly wider than the width of the stator winding, this can also easily be arranged in a secure position between the pole teeth. The degree of filling of the stator winding between the pole teeth can be increased accordingly via the multi-layer structure of the stator winding in the radial direction, as a result of which the performance of the electrical machine can be increased.
  • the first cooling duct and/or the second cooling duct is connected to a first annular duct at the front and/or end of the stator and/or the second cooling duct is connected to a second annular duct at the front and/or end.
  • the stator accordingly has an end face or end face at its axial end.
  • the first cooling duct is connected to the first annular duct in a fluid-tight and/or medium-tight manner, so that the cooling medium can pass and/or flow from the first cooling duct into the first annular duct.
  • the second cooling channel opens into a second annular channel.
  • the first annular duct can on the one hand be an arcuate segment that connects two spaced-apart first cooling ducts to one another on the end face of the stator.
  • the first annular duct can also be designed in the form of a circular ring in order to fluidly connect a plurality of first cooling ducts with one another.
  • the first annular channel can have an outlet and/or an inlet.
  • the cold cooling medium can be supplied via the inlet.
  • the heated cooling medium is discharged via the outlet.
  • the circular ring-shaped first ring channel can preferably the front side of the stator formed end turns of the stator winding on its outer peripheral side and / or on its inner peripheral side, based on the radial direction of the stator surrounded.
  • first annular duct for connection to the first cooling duct applies correspondingly to the second annular duct for fluidic connection to the second cooling duct. It is also conceivable and particularly preferably provided that the first annular duct of the first cooling duct is fluidically connected to the second annular duct of the second cooling duct.
  • first cooling channel and/or the second cooling channel can be designed in such a way that they can conduct a cooling medium, are temperature-resistant and have increased resistance to corrosive media.
  • first cooling channel and/or the second cooling channel are made of a plastic material.
  • the plastic material can preferably be a duroplastic material.
  • Plastics have increased resistance to aggressive and corrosive media.
  • Thermosetting plastics have increased temperature resistance.
  • plastics are very light, so that a cooling channel can be provided that is temperature-resistant, can have a reduced weight and is suitable for aggressive environmental media.
  • the pole shoes of two adjacent pole teeth are designed without gaps. In other words, no gap is formed between the individual pole shoes through which the stator winding could be introduced into the gap.
  • the gap-free design of the pole shoes, based on the circumferential direction of the stator, can be advantageous for the torque of the electrical machine.
  • the pole teeth are positively connected to the inside of the yoke.
  • the form closure can take place in a wide variety of ways.
  • An advantageous development of the invention is that the pole teeth are connected to the yoke via a dovetail-shaped connection.
  • a pole tooth generally has a pole shaft, the pole shoe being formed adjoining the pole shaft in the radial direction of the stator.
  • a width of the pole shoe, based on the circumferential direction of the stator is greater than a width of the pole shank, based on the circumferential direction of the stator.
  • the pole tooth is designed like a hammer head.
  • the pole tooth On a side facing away from the pole shoe, the pole tooth has a dovetail-shaped projection which engages in a recess on the inside of the yoke that corresponds to the dovetail-shaped projection.
  • a dovetail-shaped positive connection forms a secure and rigid connection between the pole tooth and the yoke, which can have a positive effect on the noise development of the electrical machine, in particular on the noise, vibration and harshness behavior (NVH).
  • a depth of the recess in the radial direction corresponds approximately to a width of the recess in the circumferential direction of the yoke near the inside. Approximately means that, based on the width of the recess in the circumferential direction of the yoke on the inside, the depth is either at most 30% greater or at most 30% less than the width of the recess.
  • the borders are included.
  • the recess based on the cross section of the yoke, is designed to widen outwards, starting from the inside in the radial direction.
  • the cross section of the recess and/or the groove increases over its depth, starting from the inside, in the radial direction of the yoke.
  • An inner diameter of the cooling channel can preferably be round. However, it is also conceivable for the inner diameter to have an oval and/or angular, for example square, configuration. It is advantageously provided that the yoke has a yoke outer side on an outer side directed outwards in the radial direction, and the stator is arranged in a housing, with a third cooling channel being formed between the yoke outer side and the housing. In this way, the cooling capacity of the electrical machine can be increased since, in addition to the integrated stator cooling via the first cooling duct and/or the second cooling duct, the third cooling duct is also provided in order to cool the electrical machine.
  • the third cooling channel preferably runs in the longitudinal direction of the stator.
  • the third cooling duct can have a plurality of third cooling ducts which are arranged parallel to one another and open into a third annular duct at the end of the stator.
  • the third cooling channel is fluidically connected to the first cooling channel and/or the second cooling channel.
  • the third ring channel is fluidically coupled to the first ring channel and/or the second ring channel.
  • the invention also relates to a method for producing the stator according to the invention, the first cooling channel and/or the second cooling channel being formed by an overmolding process and/or a transfer molding process.
  • the first cooling channel and/or the second cooling channel can be formed in a simple and inexpensive manner, preferably from plastic.
  • the first cooling duct and/or the second cooling duct is formed after the positive arrangement of the pole teeth having the stator winding on the yoke.
  • the stator winding is first placed in the space between the pole teeth.
  • the pole teeth are then positively connected to the yoke and the end winding is formed.
  • the first cooling channel and/or the second cooling channel are formed.
  • a lance is guided into the recess in the longitudinal direction of the stator, and the annular space between the lance, the wall of the recess and the stator winding is shed. In this way, the integrated first cooling channel can be manufactured inexpensively.
  • an optimal thermal connection of the first cooling channel to the yoke and the stator winding can be achieved.
  • a lance is guided between the inside of the winding and the pole shoes and the annular space is then sprayed out, which achieves an optimal thermal connection of the second cooling channel to the stator winding and the pole tooth.
  • the stator winding can be fixed in a secure position in the space between the pole teeth via the encapsulation.
  • the invention also relates to an electrical machine with the stator according to the invention.
  • the electrical machine is preferably a traction drive in an at least partially electrically powered motor vehicle.
  • stator also applies to the electrical machine according to the invention and/or the method according to the invention. This also applies vice versa.
  • 1 shows a section of a stator in cross section with first cooling channels
  • 2 shows a detail of the stator in cross section without a stator winding with first cooling ducts
  • FIG. 3 shows a section of the stator in cross section with second cooling ducts and third cooling ducts
  • FIG 4 shows a three-dimensional view of a section of the stator with the second and the third cooling channels.
  • FIG. 6 shows a schematic view of a motor vehicle with an electric machine which has the stator
  • FIG. 1 shows a section or a detailed view of a stator 10 in a cross section of the stator 10 .
  • the stator 10 has an annular yoke 12 .
  • the yoke 12 can also be referred to as a yoke ring.
  • the yoke 12 is formed by a plurality of annular stamped metal sheets, which are arranged one behind the other in the axial direction of the stator 10 and are connected to one another.
  • the laminations are preferably soft-magnetic electrical laminations.
  • the connection can be a welded connection or an adhesive connection, for example.
  • the yoke 12 has an inner side 14 on an inward side in the radial direction of the yoke 12 .
  • a plurality of pole teeth 16 are arranged at least in a form-fitting manner on the inside 14 .
  • At least partially positively connected means that, in addition to the positive connection, a material connection of the pole teeth 16 to the yoke 12 can also be provided, for example, in order to increase the rigidity of the connection of the pole teeth 16 to the yoke 12 .
  • a pole tooth 16 generally has a pole shaft 18 and a pole shoe 20 adjoining the pole shaft 18 in the radial direction of the stator 10 .
  • a width of the pole shoe 20, based on the circumferential direction of the stator 10, is greater than a width of the pole shaft 18, based on the circumferential direction of the stator 10.
  • the pole tooth 16 is designed like a hammer head.
  • the pole tooth 16 On a side facing away from the pole piece 20, the pole tooth 16 has a dovetail-shaped projection 22 which engages in a recess 24 corresponding to the dovetail-shaped projection 22 on the inside 14 of the yoke 12 .
  • Such a form fit forms a secure connection between pole tooth 16 and yoke 12.
  • the pole teeth 16 are spaced apart from one another in the circumferential direction of the yoke 12 . It is conceivable that the pole teeth 16 are designed as individual teeth. However, it can also be provided that the pole teeth 16 are connected to one another on an outer side 26 facing away from the yoke 12 via a narrow web 28 in the circumferential direction of the stator 10 . In other words, the pole shoes 20 of two pole teeth 16 arranged next to one another are formed without a gap in relation to one another in the circumferential direction of the stator 10 .
  • the distance between the pole teeth 16, in particular the pole shafts 18, in the circumferential direction of the yoke 12 is a uniform or regular distance.
  • a stator winding 29 designed as a mat is arranged between the pole teeth 16 and the pole shafts 18, which extends in the longitudinal direction of the stator 10 and is designed at the end face of the stator 10 to form a winding overhang (not shown).
  • a recess 30 extending outwards in the radial direction of the yoke 12 is formed between two pole teeth 16 which are arranged next to one another.
  • the recess 30 can preferably also be referred to as a groove, which extends in the longitudinal direction of the yoke 12 between the pole teeth 16, with a groove opening 32 of the recess 30 being directed inward in the radial direction of the yoke 12.
  • a first cooling channel 34 through which a cooling medium can flow is arranged in the recess 30 and extends in the longitudinal direction of the stator 10 .
  • the cooling medium is preferably a cooling liquid.
  • the coolant can be oil or water.
  • the first cooling channel 34 is arranged in the recess 30, as a result of which cooling integrated in the stator 10 is provided.
  • the first cooling channel 34 rests on the one hand on a wall 36 defining the recess 30 and on the other hand at least in sections on the stator winding
  • the direct, ie direct contact of the first cooling channel 34 to a partial area of the stator winding 29 and to the wall 36 of the recess 30 allows the stator 10 to be efficiently cooled, whereby the performance of the electrical machine 40 can be increased at the same time.
  • the installation space of the stator 10 and/or the electric machine 40 can be reduced by the cooling integrated in the stator 10 .
  • a depth of the recess 30 in the radial direction of the yoke 12 corresponds approximately to a width of the recess 30 in the circumferential direction of the yoke 12 near or on the inside 14. Approximately means that based on the width of the recess
  • the depth is either up to a maximum of 30% greater or up to a maximum of 30% smaller than the width of the recess 30. The limits are included.
  • the recess 30 is designed to widen outwards in the radial direction, starting from the inside 14.
  • the cross section of the recess 30 and/or the groove increases in the radial direction of the yoke 12, starting from the inside 14.
  • the first cooling channel 34 can preferably be positioned securely in the recess 30 .
  • the stator winding 29 is multi-layered in relation to the radial direction of the stator 10, the radially outer layer of the stator winding 29 bearing against the first cooling channel 34 at least in sections. Relative to the circumferential direction of the stator, the stator winding 29 is formed in a single layer between two pole teeth 16 .
  • the stator winding 29 arranged next to one another in the radial direction is formed by the mat or shaped wire winding, the electrical conductor of the shaped wire winding being made of copper and/or at least partially having copper.
  • the electrical conductor has an essentially rectangular cross section, based on its longitudinal direction.
  • the stator winding 29 is within the space defined by the pole teeth 16 Gap arranged side by side in the radial direction, wherein the electrical conductors arranged side by side are arranged galvanically insulated from one another and/or have an insulating coating.
  • FIG. 2 shows a further excerpt or a detailed view of the stator 10 known from FIG. 1, the stator winding 29 not being shown.
  • the first cooling channel 34 can be arranged in the recess 30 in different ways. It is conceivable that the first cooling channel 34 is designed as a hose. It can be provided that before the pole teeth 16 are connected to the yoke 12, the first cooling channel 34 is inserted into the recess 30 and/or clamped. It is conceivable that the first cooling channel 34 also protrudes at least in sections beyond the inside 14 in the direction of the pole teeth 16 . It is also possible for the first cooling channel 34 to end flush with the inside 14 .
  • an inner diameter of the first cooling channel 34 can have a round or an angular cross section, for example. Even if not shown, it is provided that a first cooling channel 34 is arranged in each recess 30 between the pole teeth 16 . This also applies to FIG. 1 , where only a first cooling channel 34 is shown.
  • FIG. 3 shows a section of the stator 10, the stator 10 now having a second cooling channel 44 in contrast to the stator 10 shown in FIGS.
  • the second cooling channel 44 is arranged between two adjacent pole teeth 16 between a winding inner side 46 of the stator winding 29 directed inwards in the radial direction of the stator 10 and a pole shoe 20 of the pole tooth 16 .
  • the second cooling channel 44 rests directly, at least in sections, on the winding inner side 46 of the stator winding 29 and on the pole shoe 20 , at least in sections.
  • Directly means that a wall forming the second cooling channel 44 .
  • FIG. 4 shows a three-dimensional view of the stator 10 known from FIG. 3 for the electrical machine 40 .
  • the stator 10 is arranged in a housing 49 of the electrical machine 40 .
  • a third cooling channel 50 is arranged and/or formed between a yoke outside 48 directed outwards in the radial direction of the stator 10 and the housing 49 .
  • the third cooling channel 50 is essentially U-shaped, with the ends of the upright webs of the U-shaped third cooling channel 50 sealing against the housing 49 and thus forming the third cooling channel 50 . Due to the direct connection of the third cooling channel 50 to the yoke 12 and to the housing 49, an increased cooling effect can also be achieved.
  • FIG. 5 shows a three-dimensional view of the second cooling channel 44 and the third cooling channel 50 .
  • the second cooling channel 44 ends at the respective distal end in a second ring channel 52.
  • the third cooling channel 50 opens at its distal end into a third ring channel 54. In this way, the cooling medium can be distributed accordingly over the respective ring channel 52, 54. Even if not shown, provision can be made for the second ring channel 52 and the third ring channel 54 to be fluidly connected to one another.
  • Motor vehicle 38 is an at least partially electrically powered motor vehicle.
  • An electric machine 40 in which the stator 10 is arranged is arranged in the drive train of the motor vehicle 38 .
  • Fig. 7 shows a method for producing a stator 10.
  • a first step 100 an annular yoke 12 is provided, which on the inner side 14 alternately has recesses 30 for receiving the first cooling channel 34 and receptacles 24 corresponding to the dovetail-shaped projections 22 of the pole teeth 16 having.
  • the pole teeth 16 are provided, with an endless stator winding 29 being arranged in multiple layers between the mutually spaced pole teeth 16, starting from a side facing away from the pole shoe 20.
  • a third step 120 the pole teeth 16 having the stator winding 29 are positively connected to the yoke 12, so that the dovetail-shaped projections 22 of the pole shoes 16 engage in the corresponding receptacles 24 of the yoke 12.
  • the end winding is formed.
  • the first cooling channel 34 and/or the second cooling channel 44 are formed.
  • a first cooling channel 34 is formed in the recess 30 or in the plurality of recesses 30 by an overmolding and/or transfer molding process.
  • a lance is guided into the recess 30 in the longitudinal direction of the stator 10 .
  • the annular space between the lance, the wall 36 of the recess 30 and the stator winding 29 is then cast.
  • the integrated first cooling channel 34 can be produced inexpensively and have an optimal thermal connection to the yoke 12 and the stator winding 29 .
  • the stator winding 29 can be arranged in a secure position in the space between the pole teeth 16 via the encapsulation. It is conceivable that the end winding and an outer lateral surface 42 of the yoke 12, which is arranged at a distance from the inside 14, are also cast and/or encapsulated with plastic by the transfer molding process.
  • a lance is inserted into the space between the inner side of the winding 46 and the pole shoes 20 of two adjacent pole teeth 16, and the annular space between the lance and the stator winding 29 or between the lance and the pole shoes 20 is cast with a plastic and /or squirted out.

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  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (10) für eine elektrische Maschine (40) eines Kraftfahrzeugs (38), aufweisend ein ringförmig ausgebildetes Joch (12), mit einer in radialer Richtung des Jochs (12) nach innen gerichteten Innenseite (14), wobei auf der Innenseite (14) des Jochs (12) eine Mehrzahl von Polzähnen (16) formschlüssig mit dem Joch (12) verbunden sind, die Polzähne (16) in Umfangsrichtung des Jochs (12) zueinander beabstandet angeordnet sind, eine als Matte ausgebildete Statorwicklung (29), die zwischen den Polzähnen (16) angeordnet ist, ein mit einem Kühlmedium durchströmbarer erster Kühlkanal (34), der sich in Längsrichtung des Stators (10) erstreckt, wobei der erste Kühlkanal (34) in einer Ausnehmung (30) angeordnet ist, die sich ausgehend von der Innenseite (14) des Jochs (12) zwischen zwei benachbarten Polzähnen (16) in radialer Richtung des Jochs (12) nach außen erstreckt, der erste Kühlkanal (34) zumindest abschnittsweise unmittelbar an einer die Ausnehmung (30) definierende Wandung (36) und/oder abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung (29) anliegt, und/oder ein mit einem Kühlmedium durchströmbarer zweiter Kühlkanal (44), wobei der zweite Kühlkanal (44) zwischen zwei benachbarten Polzähnen (16) zwischen einer in radialer Richtung des Stators (10) nach innen gerichteten Wicklungsinnenseite (46) der Statorwicklung (29) und einem Polschuh (20) des Polzahns (16) angeordnet ist, und der zweite Kühlkanal (44) zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung (29) und/oder am Polschuh (20) anliegt.

Description

Beschreibung
Stator mit integrierter Kühlung, Verfahren zur Herstellung eines Stators und elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator ein kreisringförmig ausgebildetes Joch mit einer Mehrzahl von Polzähnen aufweist. Zwischen den Polzähnen ist eine als Matte ausgebildete Statorwicklung angeordnet, wobei zwischen dem Joch und der Statorwicklung und/oder zwischen der Statorwicklung und einem Polschuhe eines Polzahns ein mit einem Kühlmedium durchström barer Kühlkanal zur Kühlung des Stators ausgebildet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stators, sowie eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Stator.
Ein Stator für eine elektrische Maschine ist grundsätzlich bekannt. Ebenso sind unterschiedliche Kühlkonzepte von Statoren bekannt, um diese während des Betriebs der elektrischen Maschine zu kühlen. Bei den bekannten Kühlkonzepten kann vorgesehen sein, dass stirnseitig ausgebildete Wicklungsköpfe über angesaugte Umgebungsluft, die in radialer Richtung des Stators ausgeblasen wird, gekühlt werden. Häufig reicht die alleinige Kühlung der Wicklungsköpfe nicht aus, um die elektrische Maschine, bzw. den Stator effizient zu kühlen. Daher ist weiter bekannt, dass ein Kühlkanal zwischen einem Stator und einem dem Stator umgebenden Gehäuse ausgebildet sein kann, um eine äußeren Mantelfläche des Stators kühlen zu können, wie dies beispielsweise in der EP 3 127 223 B1 beschrieben ist. Eine Außenseitenkühlung des Stators kann zu einem erhöhten Bauraumbedarf führen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Stator für eine elektrische Maschine bereitzustellen, der eine effiziente Kühlung aufweisen und einen reduzierten Bauraum haben kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen, wobei jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination eines Aspekt der Erfindung darstellen kann, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit etwas Gegenteiliges ergibt.
Erfindungsgemäß ist ein Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, aufweisend ein ringförmig ausgebildetes Joch, mit einer in radialer Richtung des Jochs nach innen gerichteten Innenseite, wobei auf der Innenseite des Jochs eine Mehrzahl von Polzähnen formschlüssig mit dem Joch verbunden sind, und die Polzähne in Umfangsrichtung des Jochs zueinander beabstandet angeordnet sind, eine als Matte ausgebildete Statorwicklung, die zwischen den Polzähnen angeordnet ist, ein mit einem Kühlmedium durchström barer erster Kühlkanal, der sich in Längsrichtung des Stators erstreckt, wobei der erste Kühlkanal in einer Ausnehmung angeordnet ist, die sich ausgehend von der Innenseite des Jochs zwischen zwei benachbarten Polzähnen in radialer Richtung des Jochs nach außen erstreckt, der erste Kühlkanal zumindest abschnittsweise unmittelbar an einer die Ausnehmung definierende Wandung und/oder abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung anliegt, und/oder ein mit einem Kühlmedium durchströmbarer zweiter Kühlkanal, wobei der zweite Kühlkanal zwischen zwei benachbarten Polzähnen zwischen einer in radialer Richtung des Stators nach innen gerichteten Wicklungsinnenseite der Statorwicklung und einem Polschuh des Polzahns angeordnet ist, und der zweite Kühlkanal zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung und/oder am Polschuh anliegt.
Mit anderen Worten ist es ein Aspekt der Erfindung, dass ein Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs angegeben wird. Die elektrische Maschine findet vorzugsweise im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs Anwendung. Somit kann die elektrische Maschine vorzugsweise ein Traktionsantrieb sein. Das Kraftfahrzeug kann ein teilweise oder vollständig elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeugs sein. Der Stator weist ein ringförmig ausgebildetes Joch auf. Für gewöhnlich wird das Joch durch eine Mehrzahl von ringförmig ausgestanzten Blechen gebildet, die in axialer Richtung des Stators hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann eine Klebeverbindung und/oder Schweißverbindung und/oder eine Prägeverbindung sein.
Auf einer in radialer Richtung des Stators bzw. des Jochs nach innen gerichteten Seite weist das Joch eine Innenseite auf. Auf der Innenseite sind eine Mehrzahl von Polzähnen zumindest teilweise formschlüssig angeordnet, wobei die Polzähne in Umfangsrichtung des Jochs zueinander beabstandet angeordnet sind. Zumindest teilweise formschlüssig verbunden bedeutet, dass in Ergänzung zum Formschluss zwischen Polzahn und Joch beispielsweise noch eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen sein kann, um die Steifigkeit der Anbindung der Polzähne an das Joch zu erhöhen. Der Abstand der Polzähne, insbesondere eines Polschafts der Polzähne, zueinander in Umfangsrichtung des Jochs ist vorzugsweise ein gleichmäßiger und/oder regelmäßiger Abstand.
Die Polzähne können jeweils als Einzelzahn ausgebildet sein. Denkbar ist auch, dass die Polzähne an einer dem Joch abgewandten Außenseite über einen schmalen Steg miteinander verbunden sind. Anders ausgedrückt weist jeder Polzahn auf einer dem Joch abgewandten Seite einen Polschuh auf, wobei der Polschuh zweier benachbarter Polzähne miteinander verbunden sein kann.
Zwischen den Polzähnen ist eine Statorwicklung angeordnet, die sich in Längsrichtung des Stators erstreckt und stirnseitig und/oder endseitig am Stator zu einem Wicklungskopf ausgebildet ist. Die Statorwicklung ist als Matte ausgebildet. Eine derartige Statorwicklung kann auch als Endloswicklung und/oder Formdrahtwicklung bezeichnet werden. Die Matte charakterisiert sich dadurch, dass die drei Leiter U, V, W in einer Ebene zu einem Formdrahtgebilde vor der Anordnung auf die Polzähne ausgebildet wird und im Anschluss zwischen die Polzähne eingelegt wird. Die elektrischen Leiter der Matte sind aus Kupfer ausgebildet oder weisen zumindest teilweise Kupfer auf. Die elektrischen Leiter weisen einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, bezogen auf dessen Längsrichtung, auf. Zudem können die Leiter eine isolierende Beschichtung aufweisen, so dass die Lagen der Statorwicklung galvanisch voneinander getrennt sind.
Ausgehend von der Innenseite des Jochs ist zwischen zwei Polzähnen, die nebeneinander angeordnet sind, eine sich in radialer Richtung des Jochs nach außen erstreckende Ausnehmung ausgebildet. Die Ausnehmung kann vorzugsweise auch als Nut bezeichnet werden, die sich in Längsrichtung des Jochs zwischen den Polzähnen erstreckt, wobei die Nutöffnung in radialer Richtung des Jochs nach innen gerichtet ist. In der Ausnehmung ist ein mit einem Kühlmedium durchström barer erster Kühlkanal angeordnet und/oder ausgebildet ist, der sich in Längsrichtung des Stators erstreckt. Der erste Kühlkanal liegt zumindest abschnittsweise unmittelbar an einer die Ausnehmung definierende Wandung und/oder abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung an. Unmittelbar anliegend bedeutet, dass ein den ersten Kühlkanal ausbildendes Wandungsmaterial im direkten Kontakt mit dem Joch und/oder mit einer isolierenden Ummantelung eines elektrischen Leiters der Statorwicklung ist. Der erste Kühlkanal ist folglich in der Ausnehmung angeordnet, wodurch eine im Stator integrierte Kühlung bereitgestellt wird. Durch den direkten, also unmittelbaren, Kontakt des ersten Kühlkanals zum Joch bzw. zur Statorwicklung kann eine Kühlung des Stators unmittelbar an der Statorwicklung erfolgen, wodurch die Kühlung des Stators erhöht und die Performance der elektrischen Maschine gesteigert werden kann.
Alternativ und/oder in Ergänzung zum ersten Kühlkanal kann vorgesehen sein, dass zwischen einer in radialer Richtung des Stators nach innen gerichteten Wicklungsinnenseite der Statorwicklung und einem Polschuh des Polzahns ein mit dem Kühlmedium durchström barer zweiter Kühlkanal ausgebildet ist. Der zweite Kühlkanal liegt zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung und/oder am Polschuh an. Unmittelbar bedeutet, dass ein den zweiten Kühlkanal ausbildendes Wandungsmaterial im direkten Kontakt mit einem elektrischen Leiter der Statorwicklung oder mit dem Polzahn ist. Der zweite Kühlkanal ist somit zwischen den Polzähnen in unmittelbarer zur Statorinnenseite angeordnet. Durch den direkten, also unmittelbaren, Kontakt des ersten Kühlkanals zur Statorwicklung bzw. zum Polschuh kann eine Kühlung des Stators unmittelbar an der Statorwicklung nahe eines Rotors erfolgen, wodurch die Kühlung des Stators erhöht und die Performance der elektrischen Maschine gesteigert werden kann.
Durch die im Stator integrierte Kühlung in Folge des ersten Kühlkanals und/oder des zweiten Kühlkanals kann zudem der Bauraum des Stators und/oder der elektrischen Maschine reduziert werden.
Das Kühlmedium ist vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit kann ein Öl oder Wasser sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kühlkanal bis zur Innenseite des Jochs geführt. Dies bedeutet, dass die Statorwicklung in einem Zwischenraum zwischen den Polzähnen, bezogen auf die radiale Richtung des Jochs, bis zur Innenseite geführt ist, und der erste Kühlkanal unmittelbar zumindest abschnittsweise an der Statorwicklung anliegt. Auf diese Weise kann der Zwischenraum maximal mit der Statorwicklung ausgefüllt sein wodurch eine hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erzielt werden kann. Durch die Anordnung des Kühlkanals in der Ausnehmung des Jochs mit direktem Kontakt zur Statorwicklung kann eine effiziente Kühlung erfolgen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kühlkanal ausgehend von der Ausnehmung bis in einen Zwischenraum zwischen den Polzähnen geführt ist. Auf diese Weise kann die Kühlung des Stators nicht nur auf Höhe des Jochs, bezogen auf dessen Umfangsrichtung erfolgen, sondern auch auf Höhe der Polzähne, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators. Somit kann eine wirksame Kühlung im Bereich der Statorwicklung erzielt werden.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Statorwicklung, bezogen auf die radiale Richtung des Stators, einlagig ausgebildet ist, wobei eine in radialer Richtung des Stators nach außen gerichtete Seite der einlagigen Statorwicklung gegen den ersten Kühlkanal zumindest abschnittsweise anliegt und/oder eine in radialer Richtung des Stators nach innen gerichteten Seite gegen den zweiten Kühlkanal anliegt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Statorwicklung, bezogen auf die radiale Richtung des Stators, mehrlagig ausgebildet ist, und zwischen zwei Polzähnen, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators, einlagig ausgebildet ist. Durch die einlagige Anordnung der Statorwicklung zwischen zwei Polzähnen, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators, kann die Statorwicklung in einfacher Weise eingelegt werden. Wenn der Zwischenraum zwischen zwei Polzähnen in Umfangsrichtung des Stators unwesentlich breiter ist als die Breite der Statorwicklung, kann diese zudem in einfacherweise lagesicher zwischen den Polzähnen angeordnet werden. Über die Mehrlagigkeit der Statorwicklung in radialer Richtung kann der Füllgrad der Statorwicklung zwischen den Polzähnen entsprechend erhöht werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erhöht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal stirnseitig und/oder endseitig des Stators mit einem ersten Ringkanal verbunden ist und/oder der zweite Kühlkanal stirnseitig und/oder endseitig mit einem zweiten Ringkanal verbunden ist. Der Stator weist demnach an dessen axialem Ende eine Stirnseite oder Endseite auf. An den ersten Ringkanal ist der erste Kühlkanal fluiddicht und/oder mediendicht angebunden, so dass das Kühlmedium von dem ersten Kühlkanal in den ersten Ringkanal übertreten und/oder strömen kann. Ebenso mündet der zweite Kühlkanal in einen zweiten Ringkanal. Der erste Ringkanal kann einerseits ein Bogensegment sein, dass stirnseitig am Stator zwei zueinander beabstandet angeordnete erste Kühlkanäle miteinander verbindet. Ebenso kann der erste Ringkanal aber auch kreisringförmig ausgebildet sein, um mehrere erste Kühlkanäle fluidtechnisch miteinander zu verbinden. Der erste Ringkanal kann einen Auslass und/oder einen Einlass aufweisen. Über den Einlass kann das kalte Kühlmedium zugeführt werden. Über den Auslass wird das erwärmte Kühlmedium abgeführt. Der kreisringförmig ausgebildete erste Ringkanal kann vorzugsweise den stirnseitig am Stator ausgebildeten Wicklungskopf der Statorwicklung auf dessen äußerer Umfangsseite und/oder auf dessen innerer Umfangsseite, bezogen auf die radiale Richtung des Stators, umgeben. Die Ausführungen zur Ausgestaltung des ersten Ringkanals zur Anbindung mit den ersten Kühlkanal gelten entsprechend für den zweiten Ringkanal zur fluidtechnischen Verbindung mit dem zweiten Kühlkanal. Ebenso ist denkbar und besonders bevorzugt vorgesehen, dass der erste Ringkanal des ersten Kühlkanals mit dem zweiten Ringkanal des zweiten Kühlkanals fluidtechnisch miteinander verbunden ist.
Grundsätzlich können der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal derart ausgebildet sein, dass diese ein Kühlmedium leiten können, temperaturbeständig sind und eine erhöhte Resistenz gegen korrosive Medien aufweisen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sind. Das Kunststoffmatenal kann vorzugsweise ein duroplastischer Kunststoff sein.
Kunststoffe weisen eine erhöhte Resistenz gegen aggressive und korrosive Medien auf. Duroplaste haben eine erhöhte Temperaturbeständigkeit. Zudem sind Kunststoffe sehr leicht, so dass ein Kühlkanal bereitgestellt werden kann, der temperaturbeständig ist, ein reduziertes Gewicht aufweisen kann und geeignet für aggressive Umgebungsmedien ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Polschuhe zweiter benachbarter Polzähne spaltfrei ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist zwischen den einzelnen Polschuhen kein Spalt ausgebildet, durch den die Statorwicklung in den Zwischenraum eingeführt werden könnte. Die spaltfreie Ausbildung der Polschuhe, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators, kann vorteilhaft für das Drehmoment der elektrischen Maschine sein.
Die Polzähne sind mit der Innenseite des Jochs formschlüssig verbunden. Der Formschluss kann auf unterschiedlichste Art und Weise erfolgen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Polzähne über eine schwalbenschwanzförmige Verbindung mit dem Joch verbunden sind. Anders ausgedrückt weist ein Polzahn in der Regel einen Polschaft auf, wobei an den Polschaft in radialer Richtung des Stators angrenzenden der Polschuh ausgebildet ist. Eine Breite des Polschuhs, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators, ist größer als eine Breite des Polschafts, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators. Mit anderen Worten ist der Polzahn hammerkopfartig ausgebildet. Auf einer dem Polschuh abgewandten Seite weist der Polzahn einen schwalbenschwanzförmigen Vorsprung auf, der in eine zu dem schwalbenschwanzförmigen Vorsprung korrespondierende Ausnehmung auf der Innenseite des Jochs eingreift. Ein derartiger schwalbenschwanzförmiger Formschluss bildet eine sichere und steife Verbindung zwischen Polzahn und Joch, was sich positiv auf die Geräuschentwicklung der elektrischen Maschine, insbesondere auf das Noise, Vibration und Harshness-Verhalten (NVH) auswirken kann.
Denkbar ist, dass eine Tiefe der Ausnehmung in radialer Richtung in etwa einer Breite der Ausnehmung in Umfangsrichtung des Jochs nahe der Innenseite entspricht. In etwa bedeutet, dass, bezogen auf die Breite der Ausnehmung in Umfangsrichtung des Jochs an der Innenseite, die Tiefe entweder maximal 30 % größer oder maximal 30 % kleiner ist als die Breite der Ausnehmung. Dabei sind die Grenzen mit inbegriffen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung, bezogen auf den Querschnitt des Jochs, ausgehend von der Innenseite in radialer Richtung nach außen, aufweitend ausgebildet ist. Mit anderen Worten nimmt der Querschnitt der Ausnehmung und/oder der Nut über dessen Tiefe, ausgehend von der Innenseite, in radialer Richtung des Jochs zu. Auf diese Weise kann der erste Kühlkanal in die Ausnehmung formschlüssig werden, wodurch eine lagesichere Fixierung des Kühlkanals in der Ausnehmung ermöglicht werden kann.
Ein Innendurchmesser des Kühlkanals kann vorzugsweise rund ausgebildet sein. Denkbar ist aber auch, dass der Innendurchmesser eine ovale und/oder eckige, beispielsweise viereckige, Ausgestaltung aufweist. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Joch auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite eine Jochaußenseite aufweist, und der Stator in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei zwischen der Jochaußenseite und dem Gehäuse ein dritter Kühlkanal ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Kühlleistung der elektrischen Maschine erhöht werden, da neben der integrierten Statorkühlung über den ersten Kühlkanal und/oder den zweiten Kühlkanal noch zusätzlich der dritte Kühlkanal vorgesehen ist, um die elektrische Maschine zu kühlen.
Der dritte Kühlkanal verläuft vorzugsweise in Längsrichtung des Stators. Der dritte Kühlkanal kann mehrere parallelzueinander angeordnete dritte Kühlkanäle aufweisen, die endseitig des Stators in einen dritten Ringkanal münden.
Vorzugsweise ist der dritte Kühlkanal fluidtechnisch mit dem ersten Kühlkanal und/oder dem zweiten Kühlkanal verbunden ist. Beispielsweise ist der dritte Ringkanal fluidtechnisch mit dem ersten Ringkanal und/oder dem zweiten Ringkanal gekoppelt.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stators, wobei der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal durch einen Overmoldvorgang und/oder einen Transfermoldvorgang ausgebildet werden. Auf diese Weise können der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal in einfacher und preiswerter Weise, vorzugsweise aus Kunststoff, ausgebildet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal nach der formschlüssigen Anordnung der die Statorwicklung aufweisenden Polzähne auf dem Joch ausgebildet wird. Mit anderen Worten wird zunächst die Statorwicklung in den Zwischenraum zwischen den Polzähnen angeordnet. Im Anschluss daran werden die Polzähne mit dem Joch formschlüssig verbunden und der Wickelkopf wird ausgebildet. In einem weiteren Schritt werden der erste Kühlkanal und/oder zweite Kühlkanal ausgebildet. Dazu kann vorgesehen sein, dass zur Ausbildung des erste Kühlkanals eine Lanze in Längsrichtung des Stators in die Ausnehmung geführt wird, und der Ringraum zwischen der Lanze, der Wandung der Ausnehmung und der Statorwicklung vergossen wird. Auf diese Weise können der integrierte erste Kühlkanal preiswert hergestellt werden. Zudem kann eine optimale thermische Anbindung des ersten Kühlkanals an das Joch und die Statorwicklung erzielt werden. Zur Ausbildung des zweiten Kühlkanals wird eine Lanze zwischen Wicklungsinnenseite und die Polschuhe geführt und im Anschluss wird der Ringraum ausgespritzt, wodurch eine optimale thermische Anbindung des zweiten Kühlkanals an die Statorwicklung und den Polzahn erzielt werden. Überdies kann die Statorwicklung im Zwischenraum zwischen den Polzähnen über das Vergießen lagesicherfixiert werden.
Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Stator. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise ein Traktionsantrieb in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug.
Die vorteilhafte Ausgestaltung des Stators findet ebenfalls Anwendung auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine und/oder das erfindungsgemäße Verfahren. Dies gilt ebenso umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne und/oder mehrere der in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
In diesen zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt eines Stators im Querschnitt mit ersten Kühlkanälen; Fig. 2 einen Ausschnitt des Stators im Querschnitt ohne Statorwicklung mit ersten Kühlkanälen;
Fig. 3 einen Ausschnitt des Stators im Querschnitt mit zweiten Kühlkanälen und dritten Kühlkanälen,
Fig. 4 eine dreidimensionale Ansicht eines Ausschnitts des Stators mit den zweiten und den dritten Kühlkanälen.
Fig. 5 eine dreidimensionale Ansicht der zweiten und dritten Kühlkanäle mit den entsprechenden Ringkanälen
Fig. 6 eine schematische Ansicht eine Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine, die den Stator aufweist;
Fig. 7 ein Verfahren zur Herstellung des Stators.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt bzw. eine Detailansicht eines Stators 10 in einem Querschnitt des Stators 10 gezeigt. Der Stator 10 weist ein ringförmig ausgebildetes Joch 12 auf. Das Joch 12 kann auch als Jochring bezeichnet werden. Für gewöhnlich wird das Joch 12 durch eine Mehrzahl von ringförmig ausgestanzten Blechen gebildet, die in axialer Richtung des Stators 10 hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Die Bleche sich vorzugsweise weichmagnetische Elektrobleche. Die Verbindung kann beispielsweise eine Schweißverbindung oder eine Klebeverbindung sein. Auf einer in radialer Richtung des Jochs 12 nach innen gerichteten Seite weist das Joch 12 eine Innenseite 14 auf. Auf der Innenseite 14 ist eine Mehrzahl von Polzähnen 16 zumindest formschlüssig angeordnet. Zumindest teilweise formschlüssig verbunden bedeutet, dass in Ergänzung zum Formschluss beispielsweise noch eine stoffschlüssige Verbindung der Polzähne 16 zum Joch 12 vorgesehen sein kann, um die Steifigkeit der Anbindung der Polzähne 16 an das Joch 12 zu erhöhen.
Ein Polzahn 16 weist in der Regel einen Polschaft 18 und einen an den Polschaft 18 in radialer Richtung des Stators 10 angrenzenden Polschuh 20 auf. Eine Breite des Polschuhs 20, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators 10, ist größer als eine Breite des Polschafts 18, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators 10. Mit anderen Worten ist der Polzahn 16 hammerkopfartig ausgebildet. Auf einer dem Polschuh 20 abgewandten Seite weist der Polzahn 16 einen schwalbenschwanzförmigen Vorsprung 22 auf, der in eine zu dem schwalbenschwanzförmigen Vorsprung 22 korrespondierende Ausnehmung 24 auf der Innenseite 14 des Jochs 12 eingreift. Ein derartiger Formschluss bildet eine sichere Verbindung zwischen Polzahn 16 und Joch 12.
Die Polzähne 16 sind in Umfangsrichtung des Jochs 12 zueinander beabstandet angeordnet. Denkbar ist, dass die Polzähne 16 als Einzelzahn ausgebildet sind. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Polzähne 16 an einer dem Joch 12 abgewandten Außenseite 26 über einen schmalen Steg 28 in Umfangsrichtung des Stators 10 miteinander verbunden sind. Anders ausgedrückt sind die Polschuhe 20 zweier nebeneinander angeordneter Polzähne 16 in Umfangsrichtung des Stator 10 spaltfrei zueinander ausgebildet.
Der Abstand der Polzähne 16, insbesondere der Polschäfte 18, zueinander in Umfangsrichtung des Jochs 12 ist ein gleichmäßiger bzw. regelmäßiger Abstand. Zwischen den Polzähnen 16 bzw. der Polschäfte 18 ist eine als Matte ausgebildete Statorwicklung 29 angeordnet, die sich in Längsrichtung des Stators 10 erstreckt und stirnseitig am Stator 10 zu einem Wicklungskopf (nicht dargestellt) ausgebildet ist.
Ausgehend von der Innenseite 14 des Jochs 12 ist zwischen zwei Polzähnen 16, die nebeneinander angeordnet sind, eine sich in radialer Richtung des Jochs 12 nach außen erstreckende Ausnehmung 30 ausgebildet. Die Ausnehmung 30 kann vorzugsweise auch als Nut bezeichnet werden, die sich in Längsrichtung des Jochs 12 zwischen den Polzähnen 16 erstreckt, wobei eine Nutöffnung 32 der Ausnehmung 30 in radialer Richtung des Jochs 12 nach innen gerichtet ist. In der Ausnehmung 30 ist ein mit einem Kühlmedium durchström barer erster Kühlkanal 34 angeordnet, der sich in Längsrichtung des Stators 10 erstreckt. Das Kühlmedium ist vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit kann ein Öl oder Wasser sein. Der erste Kühlkanal 34 ist in der Ausnehmung 30 angeordnet, wodurch eine im Stator 10 integrierte Kühlung bereitgestellt wird. Der erste Kühlkanal 34 liegt einerseits an einer die Ausnehmung 30 definierende Wandung 36 an und andererseits zumindest abschnittsweise an der Statorwicklung
29 unmittelbar an. Durch den unmittelbaren, also direkten Kontakt des ersten Kühlkanals 34 an einen Teilbereich der Statorwicklung 29 und an die Wandung 36 der Ausnehmung 30 kann eine effiziente Kühlung des Stators 10 erfolgen, wodurch zugleich die Performance der elektrischen Maschine 40 erhöht werden kann. Durch die im Stator 10 integrierte Kühlung kann zudem der Bauraum des Stators 10 und/oder der elektrischen Maschine 40 reduziert werden.
Eine Tiefe der Ausnehmung 30 in radialer Richtung des Jochs 12 entspricht in etwa einer Breite der Ausnehmung 30 in Umfangsrichtung des Jochs 12 nahe bzw. auf der Innenseite 14. In etwa bedeutet, dass bezogen auf die Breite der Ausnehmung
30 in Umfangsrichtung des Jochs 12 auf der Innenseite 14, die Tiefe entweder bis zu maximal 30 % größer oder bis zu maximal 30 % kleiner ist als die Breite der Ausnehmung 30. Die Grenzen sind dabei eingeschlossen.
Die Ausnehmung 30 ist, bezogen auf den Querschnitt des Jochs 12, ausgehend von der Innenseite 14 in radialer Richtung nach außen aufweitend ausgebildet. Mit anderen Worten nimmt der Querschnitt der Ausnehmung 30 und/oder der Nut, ausgehend von der Innenseite 14, in radialer Richtung des Jochs 12 zu. Auf diese Weise kann der erste Kühlkanal 34 vorzugsweise lagesicher in der Ausnehmung 30 positioniert werden.
Die Statorwicklung 29 ist, bezogen auf die radiale Richtung des Stators 10, mehrlagig ausgebildet ist, wobei die radial äußere Lage der Statorwicklung 29 an dem ersten Kühlkanal 34 zumindest abschnittsweise anliegt. Bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators ist die Statorwicklung 29 zwischen zwei Polzähnen 16 einlagig ausgebildet. Die in radialer Richtung nebeneinander angeordnete Statorwicklung 29 wird durch die Matte bzw. Formdrahtwicklung gebildet, wobei der elektrische Leiter der Formdrahtwicklung aus Kupfer ausgebildet ist und/oder zumindest teilweise Kupfer aufweist. Der elektrische Leiter weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, bezogen auf dessen Längsrichtung, auf. Die Statorwicklung 29 ist innerhalb des durch die Polzähne 16 begrenzten Zwischenraums in radialer Richtung nebeneinander angeordnet, wobei die nebeneinander angeordneten elektrischen Leiter voneinander galvanisch isoliert angeordnet sind und/oder eine isolierende Beschichtung aufweisen.
In Fig. 2 ist ein weiterer Ausschnitt bzw. eine Detailansicht des aus Fig. 1 bekannten Stators 10 gezeigt, wobei die Statorwicklung 29 nicht dargestellt ist. Der erste Kühlkanal 34 kann in die Ausnehmung 30 auf unterschiedliche Art und Weise angeordnet werden. Denkbar ist, dass der erste Kühlkanal 34 als Schlauch ausgebildet ist. Es kann vorgesehen sein, dass, bevor die Polzähne 16 mit dem Joch 12 verbunden werden, der erste Kühlkanal 34 in die Ausnehmung 30 eingesetzt und/oder eingeklemmt wird. Dabei ist denkbar, dass der erste Kühlkanal 34 auch zumindest abschnittsweise über die Innenseite 14 in Richtung des Polzähne 16 übersteht. Möglich ist auch, dass der erste Kühlkanal 34 bündig mit der Innenseite 14 abschließt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Innendurchmesser des ersten Kühlkanals 34 beispielsweise einen runden oder einen eckigen Querschnitt aufweisen kann. Auch wenn nicht dargestellt, so ist vorgesehen, dass in jeder Ausnehmung 30 zwischen den Polzähnen 16 ein erster Kühlkanal 34 angeordnet wird. Dies gilt auch für die Fig. 1 , wo nur ein erster Kühlkanal 34 gezeigt ist.
In Fig. 3 ist ein Ausschnitt des Stators 10 gezeigt, wobei der Stator 10 im Unterschied zu den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Stator 10 nunmehr einen zweiten Kühlkanal 44 aufweist. Der zweite Kühlkanal 44 ist zwischen zwei benachbarten Polzähnen 16 zwischen einer in radialer Richtung des Stators 10 nach innen gerichteten Wicklungsinnenseite 46 der Statorwicklung 29 und einem Polschuh 20 des Polzahns 16 angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass der zweite Kühlkanal 44 zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Wicklungsinnenseite 46 der Statorwicklung 29 und am Polschuh 20 zumindest abschnittsweise anliegt. Unmittelbar bedeutet, dass eine den zweiten Kühlkanal 44 bildende Wandung. Wie auch immer diese ausgebildet sein mag, zumindest abschnittsweise in direktem Kontakt im dem Polschuh 20 und/oder mit einem elektrischen Leiter der Statorwicklung 29, insbesondere mit der isolierenden Ummantelung des elektrischen Leiters der Wicklungsinnenseite 46 der Statorwicklung 29, ist. Durch den direkten Kontakt des zweiten Kühlkanals 44 zur Statorwicklung 29 und zum Polzahn 16 kann die Kühlwirkung erhöht werden.
In Fig. 4 ist eine dreidimensionale Ansicht des aus Fig. 3 bekannten Stators 10 für die elektrischen Maschine 40 gezeigt. Der Stator 10 ist in einem Gehäuse 49 der elektrischen Maschine 40 angeordnet. Zwischen einer in radialer Richtung des Stators 10 nach außen gerichtenten Jochaußenseite 48 und dem Gehäuse 49 ist ein dritter Kühlkanal 50 angeordnet und/oder ausgebildet. Der dritte Kühlkanal 50 ist im wesentlichen U-förmig ausgebildet, wobei die Enden der aufrechten Stege des U-förmigen dritten Kühlkanals 50 gegen das Gehäuse 49 abdichten und somit den dritten Kühlkanal 50 ausbilden. Durch die unmittelbare Anbindung des dritten Kühlkanals 50 an das Joch 12 und an das Gehäuse 49 kann ebenfalls eine erhöhte Kühlwirkung erzielt werden.
Fig. 5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des zweiten Kühlkanals 44 und des dritten Kühlkanals 50 gezeigt. Der zweite Kühlkanal 44 endet an dem jeweils distalen Ende in einen zweiten Ringkanal 52. Der dritte Kühlkanal 50 mündet an dessen distalen Ende in einen dritten Ringkanal 54. Auf diese Weise kann das Kühlmedium entsprechend über den jeweiligen Ringkanal 52, 54 verteilt werden. Auch wenn nicht dargestellt, so kann vorgesehen sein, dass der zweite Ringkanal 52 und der dritte Ringkanal 54 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
Fig. 6 zeigt ein Kraftfahrzeug 38. Das Kraftfahrzeug 38 ist ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs 38 ist eine elektrische Maschine 40 angeordnet, in der der Stator 10 angeordnet ist.
Fig. 7 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Stators 10. In einem ersten Schritt 100 wird ein kreisringförmiges Joch 12 bereitgestellt, dass auf der Innenseite 14 abwechselnd Ausnehmungen 30 zur Aufnahme des ersten Kühlkanals 34 und zu den schwalbenschwanzförmigen Vorsprüngen 22 der Polzähne 16 korrespondierende Aufnahmen 24 aufweist. In einem zweiten Schritt 110 werden die Polzähne16 bereitgestellt, wobei zwischen die zueinander beabstandeten Polzähne 16, ausgehend von einer dem Polschuh 20 abgewandten Seite, eine Endlos-Statorwicklung 29 mehrlagig angeordnet wird.
In einem dritten Schritt 120 werden die die Statorwicklung 29 aufweisenden Polzähne 16 mit dem Joch 12 formschlüssig verbunden, so dass die schwabenschwanzförmigen Vorsprünge 22 der Polschuhe 16 in die entsprechend korrespondierenden Aufnahmen 24 des Jochs 12 eingreifen. Zudem wird der Wicklungskopf ausgebildet.
In einem vierten Schritt werden der erste Kühlkanal 34 und/oder der zweite Kühlkanal 44 ausgebildet.
Zur Ausbildung des ersten Kühlkanals 34 wird in die Ausnehmung 30 bzw. wird in die Mehrzahl der Ausnehmungen 30 jeweils ein erster Kühlkanal 34 durch einen Overmold- und/oder Transfermoldvorgang ausgebildet. Hierzu wird beispielsweise eine Lanze in Längsrichtung des Stators 10 in die Ausnehmung 30 geführt. Im Anschluss wird der Ringraum zwischen der Lanze, der Wandung 36 der Ausnehmung 30 und der Statorwicklung 29 vergossen. Auf diese Weise kann der integrierte erste Kühlkanal 34 preiswert hergestellt werden und eine optimale thermische Anbindung an das Joch 12 und die Statorwicklung 29 aufweisen. Zudem kann die Statorwicklung 29 im Zwischenraum zwischen den Polzähnen 16 über das Vergießen lagesicher angeordnet werden. Denkbar ist, dass durch den Transfermoldvorgang auch der Wicklungskopf und eine äußere Mantelfläche 42 des Jochs 12, die beabstandet zur Innenseite 14 angeordnet ist, mit Kunststoff vergossen und/oder umspritzt wird.
Zur Ausbildung des zweiten Kühlkanals 44 wird in den Zwischenraum zwischen der Wicklungsinnenseite 46 und den Polschuhen 20 zweier benachbarter Polzähne 16 eine Lanze eingeführt und der Ringraum zwischen der Lanze und der Statorwicklung 29 bzw. zwischen der Lanze und den Polschuhen 20 wird mit einem Kunststoff vergossen und/oder ausgespritzt.

Claims

Patentansprüche
1 . Stator (10) für eine elektrische Maschine (40) eines Kraftfahrzeugs (38), aufweisend ein ringförmig ausgebildetes Joch (12), mit einer in radialer Richtung des Jochs (12) nach innen gerichteten Innenseite (14), wobei auf der Innenseite (14) des Jochs (12) eine Mehrzahl von Polzähnen (16) formschlüssig mit dem Joch (12) verbunden sind, die Polzähne (16) in Umfangsrichtung des Jochs (12) zueinander beabstandet angeordnet sind, eine als Matte ausgebildete Statorwicklung (29), die zwischen den Polzähnen (16) angeordnet ist, ein mit einem Kühlmedium durchström barer erster Kühlkanal (34), der sich in Längsrichtung des Stators (10) erstreckt, wobei der erste Kühlkanal (34) in einer Ausnehmung (30) angeordnet ist, die sich ausgehend von der Innenseite (14) des Jochs (12) zwischen zwei benachbarten Polzähnen (16) in radialer Richtung des Jochs (12) nach außen erstreckt, der erste Kühlkanal (34) zumindest abschnittsweise unmittelbar an einer die Ausnehmung (30) definierende Wandung (36) und/oder abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung (29) anliegt, und/oder ein mit einem Kühlmedium durchström barer zweiter Kühlkanal (44), wobei der zweite Kühlkanal (44) zwischen zwei benachbarten Polzähnen (16)zwischen einer in radialer Richtung des Stators (10) nach innen gerichteten Wicklungsinnenseite (46) der Statorwicklung (29) und einem Polschuh (20) des Polzahns (16) angeordnet ist, und der zweite Kühlkanal (44) zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung (29) und/oder am Polschuh (20) anliegt.
2. Stator nach Anspruch 1 , aufweisend wenigstens den ersten Kühlkanal (34) wobei der erste Kühlkanal (34) bis zur Innenseite (14) des Jochs (12) geführt ist.
3. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend wenigstens den ersten Kühlkanal (34) wobei der erste Kühlkanal (34) ausgehend von der Ausnehmung (30) bis in einen Zwischenraum zwischen den Polzähnen (16) geführt ist.
4. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (29), bezogen auf die radiale Richtung des Stators (10), mehrlagig ausgebildet ist. und zwischen zwei Polzähnen (16), bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators (10), einlagig ausgebildet ist.
5. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkanal (34) endseitig des Stators (10) mit einem ersten Ringkanal verbunden ist, und/oder der zweite Kühlkanal endseitig des Stators (10) mit einem zweiten Ringkanal (52) verbunden ist .
6. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkanal (34) und/oder der zweite Kühlkanal (44) aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sind.
7. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (20) zweier benachbarter Polzähne (16) spaltfrei ausgebildet sind.
8. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polzähne (16) über eine schwalbenschwanzförmige Verbindung mit dem Joch (12) verbunden sind.
9. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (30), bezogen auf den Querschnitt des Jochs (12), ausgehend von der Innenseite (14) in radialer Richtung nach außen, aufweitend ausgebildet ist.
10. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (12) auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite eine Jochaußenseite (48) aufweist, und der Stator (10) in einem Gehäuse (49) angeordnet ist, wobei zwischen der Jochaußenseite (48) und dem Gehäuse (49) ein dritter Kühlkanal (50) ausgebildet ist. 19
11 . Stator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kühlkanal (50) fluidtechnisch mit dem ersten Kühlkanal und/oder dem zweiten Kühlkanal (52) verbunden ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Stators (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Kühlkanal (34) und/oder der zweite Kühlkanal (44) durch einen Overmoldvorgang und/oder einen Transfermoldvorgang ausgebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkanal (34) und/oder der zweite Kühlkanal (44) nach der formschlüssigen Anordnung der die Statorwicklung (29) aufweisenden Polzähne (16) auf das Joch (12) ausgebildet wird.
14. Elektrische Maschine mit einem Stator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 .
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