EP4620087A1 - Endscheibe für ein blechpaket eines stators - Google Patents

Endscheibe für ein blechpaket eines stators

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Publication number
EP4620087A1
EP4620087A1 EP23790325.7A EP23790325A EP4620087A1 EP 4620087 A1 EP4620087 A1 EP 4620087A1 EP 23790325 A EP23790325 A EP 23790325A EP 4620087 A1 EP4620087 A1 EP 4620087A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
end plate
laminated core
coolant
stator
plate according
Prior art date
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Pending
Application number
EP23790325.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Winkler
Daniel SALCHER
Martin Obermueller
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.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP4620087A1 publication Critical patent/EP4620087A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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    • H02K1/18—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures
    • H02K1/185—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures to outer stators
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    • H02K3/50—Fastening of winding heads, equalising connectors, or connections thereto
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
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    • H02K1/20—Stationary parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium

Definitions

  • the invention relates to an end plate for a laminated core of a stator of an electrical machine and a stator for an electrical drive machine in a motor vehicle.
  • the challenge is to ensure that the winding heads are sufficiently and evenly wetted with coolant spray.
  • this is achieved using a complicated arrangement of variously punched individual sheets in the assembly of the sheet stack.
  • Such a solution implies a massive increase in the complexity of the punching process and a corresponding increase in costs.
  • an end plate for a laminated core of a stator of an electric drive machine, in particular in a motor vehicle is disclosed.
  • the end plate has a ring contour with a ring wall thickness which extends between a laminated core side - i.e. a side which is designed to face the laminated core - and a winding head side - i.e. a side which is designed to face a winding head of the stator - of the end plate.
  • the end plate has a plurality of radial guide recesses, which are spaced apart from one another in the circumferential direction, on the laminated core side of the ring wall thickness, which are each designed, in particular in cooperation with a side wall of an outer sheet of the laminated core, to guide a coolant flow from a coolant axial channel of the laminated core arranged radially further inside on the stator to a coolant outlet arranged radially further outside on the end plate and directed towards the winding head side.
  • the design of coolant outlet nozzles in the sheets of the laminated core itself has a negative effect on the electromagnetic properties of the laminated core, so that their formation on the end plate instead has a beneficial effect.
  • a stator for an electric drive machine in a motor vehicle has a laminated core with a plurality of winding slots and a plurality of coolant axial channels, which are arranged in the circumferential direction between the winding slots.
  • the stator On both sides of the laminated core, the stator has a stator winding head, starting from the respective axial ends of the winding slots.
  • an end plate On both sides of the laminated core, an end plate is arranged in accordance with an embodiment of the invention.
  • the invention is based, among other things, on the consideration that the front openings of the cooling channels near the groove look out of the laminated core in a number of ways or are not aligned in a favorable way.
  • the representation of spray holes in the outer sheets of the laminated core is very complex and cannot be represented electromagnetically without losses.
  • the automated trickling process is difficult to carry out in such a way that the bonding of the openings is reliably ruled out.
  • Spray nozzles punched into the laminated core have a negative electromagnetic effect and thus cause a deterioration in the active length. This results in a deterioration in the performance-related relative weight of the stator.
  • the invention is based, among other things, on the idea of providing an end plate on both sides of the laminated core, which is designed, for example, as a cooling medium transfer plate.
  • the end plate solves the problems described for stators cooled with oil close to the groove by directing the cooling medium flow radially outwards to a larger radius, for example to be transferred to a separate winding head cooling module or sprayed out. This also prevents the openings of the axial channels from becoming blocked when the stator is dripped and any masking required to protect the openings can be applied more easily. This is because the openings of the channels are then no longer in the immediate vicinity of the drip resin nozzle.
  • Steel for example, can be considered as a material for the transfer sheet because, like the sheets of the laminated core, it can be attached to the laminated core with baking varnish.
  • a step in the housing can ensure that the transfer sheet is pressed onto the stator.
  • the end plate is then designed in such a way that there is no deterioration in the air and creepage distance between the copper (Cu) conductors of the winding heads and the laminated core, so that the winding head dimensions do not deteriorate despite the installation of the end plate.
  • a dielectric plastic material e.g. PA6 or PA12
  • a dielectric plastic material can be used as a material, for example if it is not possible to package the transfer contour with the rest of the laminated core at the same time.
  • Such an end plate could be made in one piece if glued before stator production, or in several parts if later screwed onto the laminated core after stator production, in order to take into account the undercut of the radial oil channels behind the conductors.
  • a plastic end plate can then have a high-temperature-resistant hard component for the transfer geometry and a high-temperature-resistant soft component for the sealing surface to the laminated core, and can be manufactured using a multi-component injection molding process, for example.
  • the radial guide recesses are spaced apart from one another in accordance with a positioning of the coolant axial channels, in particular evenly. The coolant can thus be guided axially outward directly from an axial end of each coolant axial channel.
  • each radial guide recess or two or more radial guide recesses are assigned a coolant outlet.
  • the coolant that has flowed through a specific coolant axial channel can cool the assigned part of the winding head at the corresponding handling position.
  • the coolant can still be sprayed out effectively even under unfavorable pressure conditions because fewer outlets have to be served.
  • the pump pressure required would be very high, which would reduce the efficiency of the machine. If the pressure were kept the same, only a trickle would come out of the holes and end up in the air gap. For this reason, it is necessary to reduce the number of openings. To make matters worse, the smaller the holes are punched, the shorter the service life of the punching tools. Many small holes have to be weighed against fewer, larger holes.
  • the coolant outlet is designed as a spray nozzle, which is particularly designed to wet the winding heads with coolant and/or is directed towards the winding heads.
  • the winding head can be sufficiently sprayed or wetted with coolant due to the suitable design of the coolant outlet(s).
  • the oil channels on the laminated core side can either be led into a single collection volume or into several collection volumes (number less than the number of oil channels).
  • the coolant outlet is designed as a coolant interface to a winding head cooling module, which is designed for the appropriate distribution of the coolant to the winding head.
  • a further coolant guide is provided downstream of the end plate, and in particular downstream of the coolant outlets, which is designed in such a way that the title head can be optimally wetted with coolant or as required.
  • a coolant outlet arranged further down in the installation position of the stator is designed with a smaller cross-section than a coolant outlet arranged further up.
  • the end plate comprises a steel material.
  • it is made of a steel material.
  • the end plate comprises a dielectric layer that completely surrounds the contour of the end plate or only on the winding head side.
  • the end plate is made of at least one plastic material, in particular a dielectric one.
  • the end plate can easily be arranged axially between the laminated core and the winding head, in particular on the teeth between the slots, without causing problems with clearance and creepage distances. An axial extension of the stator is not necessary for this. With a suitable design, the end plate can then even contribute to electrical insulation of the laminated core and the center head from one another, so that an axial shortening of the stator may even be an option.
  • the end plate is designed as a multi-component component with a hard component to form the radial guide recesses and the ring contour, and with a soft component to form a sealing surface for the laminated core.
  • a hard component to form the radial guide recesses and the ring contour
  • a soft component to form a sealing surface for the laminated core.
  • seals particularly as a soft component, are provided, spaced apart from one another in the circumferential direction of the ring contour and designed around one or more radial guide recesses. It is easier to form a reliable seal than with a single seal running along the entire circumference of the ring contour.
  • At least one recess is arranged in the circumferential direction between two radial guide recesses, so that the radial guide recesses are delimited by a remaining web, along the extension of which the end plate has the full ring wall thickness.
  • the end plate can thus be designed with the lowest possible dead weight.
  • the end plate is formed from two or more, in particular six, in particular identically formed, peripheral parts, which can be assembled in such a way that they form an end plate running in the circumferential direction.
  • An end plate composed of several components can be noted more easily - especially after the windings have been inserted into the winding slots. This ensures optimized cooling of both winding heads and enables undercut positioning of the component between the conductor tracks, for example after the windings have been inserted.
  • the end plates are baked to the laminated core using a baking varnish, either completely or in a way that is sufficiently coolant-tight for the specific application, particularly in a baking process that is carried out together with the baking of the sheets of the laminated core.
  • the trickling process can be designed in such a way that the trickling resin itself also contributes to the tightness of the system. The capillary effect of the minimally spaced individual sheets can be exploited, since the trickling resin is used anyway in the positions required for this due to the system. This makes the stator particularly easy to manufacture - particularly with very few steps.
  • the radial guide recesses on the laminated core side of the end plates are delimited with an elastic plastic component and clamped, in particular screwed, to the laminated core in such a way that the respective radial guide recess and the associated side of the laminated core delimit a radial guide in a coolant-tight manner.
  • the end plate can be made entirely from a dialectical plastic - for example as a 2- Component part so that the stator can be optimized electromagnetically and, if necessary, also with regard to its axial dimension.
  • One way to assemble stators is using a hairpin twist method.
  • a hairpin twist process (also called a hairpin process chain) is an indirect process for winding production, especially in stators of drive machines. Due to the massive conductor cross-section, the geometry of the hairpins is adjusted before the assembly process for inserting the plug-in coils into the laminated core. In contrast to conventional stator production (with its winding-based assembly processes), a forming-based assembly process is used here.
  • a typical hairpin process chain normally has several higher-level process steps:
  • Hairpin production the flat copper wire, which is typically already painted, is continuously unwound and straightened, possibly in several stages, to reduce residual curvature and residual stresses. Since the copper ends of the individual hairpins are normally welded together in a later process step, the hairpin wire can be partially stripped after the straightening process, either laser-based or mechanically. Depending on the desired hairpin geometry, the hairpin wire is cut to length and bent using a cutting process. The order of bending and cutting operations can vary. Hairpins are formed into the desired, possibly three-dimensional, geometry. This process is carried out either in one stage using special CNC bending machines or in several stages using die bending and swivel bending.
  • the entire hairpin basket (also called hairpin nest) is inserted axially into the sheet stack using a multiple gripping system. Due to very low tolerances, hairpins are sometimes chamfered during the cutting process - positioning holders are also used if necessary. Depending on the winding pattern, the hairpin ends are interlaced against each other in each layer. This process is also known as the twist process.
  • the assembly tool In addition to the rotational movement, the assembly tool also moves in an axial direction. To ensure axial access for a setting tool, the hairpin ends must be radially exposed in a preparatory step. The crucial point in the subsequent production step of twisting is when the wires begin to bend axially from the face of the sheet stack. If the bending is done too early, the slot insulation paper can tear, the LuK distances are not met, and damage can be expected. In order to initiate the bending radius at the correct point, the collar support fingers are advanced radially and the bend is initiated at their shoulder.
  • collar support fingers which ensure that the correct twist radius is introduced at the correct location on each hairpin radially between the conductors.
  • These support fingers are designed differently depending on the system supplier, but in use they combine the radial feed and the axial support of the bending forces in the sheet metal package.
  • the welded copper ends are insulated in the last step and the stator is impregnated if necessary.
  • the copper ends are usually insulated by powder coating or the application of casting resins, for example polyurethane-based.
  • casting resins for example polyurethane-based.
  • soaking, trickling or full casting processes are typically used.
  • the impregnation can be carried out in a similar way to the impregnation processes used in the manufacture of conventionally wound stators.
  • the impregnation serves to protect against thermal, electrical, ambient and mechanical influences. Dipping or trickling processes are also usually used for impregnation.
  • the collar support fingers are formed on the end plate, in particular integrally therewith, and solve the manufacturing problem during twisting by a geometry analogous to the collar support fingers, contained on the front side of the laminated core, for example deep-drawn, which then remains on the stator.
  • the coolant-carrying part is manufactured using a 2K injection molding process so that the twisting results in axial compression with the sheet metal package, which ensures that the coolant is tight.
  • the challenge in designing the seal is to take into account the springback of the wires after twisting and the thermal expansion of the various materials used.
  • the coolant-carrying part of the geometry is designed in such a way that the ducts on the laminated core side are brought together in such a way that they suitable position can be guided radially further outwards towards the winding head:
  • the geometry is designed in such a way that there is no deterioration in the clearance and creepage distance between the Cu conductor of the winding on the one hand and the laminated core on the other hand, which means that the winding head dimensions do not deteriorate.
  • the end plate has a collar support finger on a circumferential region, in particular on a circumferential position, of one, several or all of the radial guide recesses, which extends radially inwards, in particular starting from the ring contour, in particular further than a radial position of one or more coolant axial channels.
  • the end plate has a collar support finger on a circumferential position of each winding slot, which extends radially along part or all of a radial extension of the winding slots of the stator, in particular starting from the ring contour.
  • the collar support finger(s) is/are made from the material of a hard component of a 2-component injection-molded component.
  • the end plate is thus manufactured in such a way that twisting results in axial compression on both sides with the sheet metal package, which ensures oil tightness.
  • the hairpins are pulled slightly towards the switching ring side during the twisting process, which is why the A side is constricted. Therefore, different forms of the collar support finger contour are provided on the star ring on the A and B sides.
  • the A-side contour has a shape that already takes into account the machine forming of the hairpin roofs, the B-side contour takes into account the twisting process.
  • the collar support finger(s) is/are arranged within an axial area of the ring wall thickness.
  • the integrated into the geometry Collar support fingers solve the manufacturing problem during twisting by using a geometry analogous to that of the collar support fingers, which then remains on the stator.
  • the collar support finger(s) has/have, in particular each, a support projection which extends on the winding head side with respect to a central axis of the circular contour of the end plate beyond the axial extent of the ring contour.
  • the hairpins can be twisted at a predetermined distance from the laminated core, in particular without damaging the slot insulation paper.
  • the support projection has a rounded roof-like support surface, which in particular runs radially and/or covers part of a fictitious plane of the ring contour. In this way, the hairpins can be bent on the support surface and/or supported after bending.
  • Fig. 1 shows a stator with two end plates according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows a section of the stator of Figure 1.
  • Fig. 3 shows a partially sectioned section of one of the end plates of the stator of Figure 1.
  • Fig. 4 shows a sectional view of the stator of Figure 1.
  • Fig. 5 shows a view of the stator of Figure 1 without the windings.
  • Fig. 6 shows in Fig. 6A the winding head side and in Fig. 6B the laminated core side of one of the end plates of the stator of Figure 1.
  • Fig. 7 shows a section of an alternative end plate that can be used in the stator of Figure 1 according to a second exemplary embodiment, with a A plurality of longer collar support fingers and a circumferential seal designed as an elastomer seal.
  • Fig. 8 shows in Fig. 8A the laminated core side and in Fig. 8B the winding head side of the alternative end plate from Fig. 7.
  • Fig. 9 shows a stator with two different end plates according to a third exemplary embodiment of the invention (on the “A” side of the electric drive machine) or a fourth exemplary embodiment of the invention (on the “B” side of the electric drive machine) in a side view.
  • Fig. 10 shows the stator of Figure 9 in an oblique view of the “B” side.
  • Fig. 11 shows the end plate according to the third exemplary embodiment of the invention (on the “A” side of the electric drive machine) in an oblique frontal view.
  • Fig. 12 shows the end plate according to the third exemplary embodiment of the invention in a front view.
  • Fig: 13 a/b illustrates the difference in the support projections of the end plate according to the third exemplary embodiment and the fourth exemplary embodiment
  • Fig. 14 shows the end plate according to the third exemplary embodiment of the invention in a rear view of the radial guide recesses and of several individual seals of radial guide recesses designed as elastomer seals.
  • Fig. 15 a/b shows in different views a sealed radial guide recess of the end plate from Figure 14.
  • Fig. 1 shows a stator 1 for an electric drive machine in a motor vehicle.
  • the stator 1 has a laminated core 2 with several winding slots 4 and several coolant axial channels 6, which are arranged in the circumferential direction U between the winding slots 4.
  • the stator 1 On both sides of the laminated core 2, the stator 1 has a stator winding head 8.1 and 8.2, respectively, starting from the respective axial ends of the winding slots.
  • an end plate 10 is arranged in accordance with an embodiment of the invention.
  • Each of the two end disks 10 has a ring contour 12 with a ring wall thickness X_R, which extends between a laminated core side P and a winding head side D of the end disk 10.
  • the end plate 10 has a plurality of radial guide recesses 14 on the laminated core side P, which are spaced apart from one another in the circumferential direction U and which are each designed, in cooperation with a side wall of an outer sheet of the laminated core 2, to guide a coolant flow F from a coolant axial channel 16 of the laminated core 2 arranged further inside on the stator 1 in the radial direction R to a coolant outlet 18 arranged radially further outside on the end plate 10 and directed towards the winding head side D and thus towards one of the stator winding heads 8.1 or 8.2.
  • the radial guide recesses 14 are arranged at the circumferential positions of the coolant axial channels 16 and are accordingly evenly spaced from one another in the circumferential direction. The coolant can thus be guided axially outwards directly from one axial end of each coolant axial channel.
  • each radial guide recess 14 is assigned a coolant outlet 18. Therefore, the coolant that has flowed through a specific coolant axial channel can cool the associated part of the winding head at the corresponding handling position.
  • each of the coolant outlets 18 is designed to wet the winding heads with coolant and is directed towards the winding heads so that the coolant can spray out there.
  • the end plate 10 is designed as a dielectric plastic component, manufactured using a 2-component injection molding process.
  • a hard component made of a heat-resistant plastic is provided, which, among other things, together with a side surface of the outermost sheet of the laminated core 2, delimits the radial guide recesses 14.
  • a soft or elastic component made of another heat-resistant plastic is provided, which seals the contact surfaces between the end plate 10 and the laminated core 2. This means that the end plate can be easily arranged axially between the laminated core 2 and the winding head 8 without causing problems with clearance and creepage distances. An axial extension of the stator 1 is not necessary for this.
  • Fig. 7 and Fig. 8 show different views of an end plate 110 which additionally has fully formed collar support fingers 120.
  • the geometry of the radial guide recesses 114 and the coolant outlets 118 is different from that in the other embodiment of Figs. 1 to 6, but there are no fundamental functional differences between the two designs.
  • a collar support finger 120 is provided on a circumferential area of each of the radial guide recesses 114, which extends radially inward from the ring contour 12 further than the winding slots 4 of the stator 1.
  • the circumferential extension of the collar support fingers is designed such that each finger 120 precisely covers the circumferential space between two winding slots 4, so that the collar support finger 120 can optimally serve to support the hairpin curvature.
  • the collar support fingers 120 are made of the material of a hard component of a 2-component injection-molded component and are manufactured in such a way that the twisting results in axial compression with the laminated core, which contributes to the coolant tightness.
  • a single circumferential seal 115 is provided on the ring contour 12 radially inside the radial guide recesses 114 for the sealing effect.
  • the circumferential seal 115 is made of the (in particular elastomer) material of a soft component of the 2-component injection-molded component.
  • Fig. 9 shows a stator 201 with a first end plate 210 according to a third exemplary embodiment of the invention on the “A” side of the electric drive machine and a second end plate 310 according to a fourth exemplary embodiment of the invention on the “B” side of the electric drive machine.
  • the collar support fingers 220 and 320 of the two end disks 210 and 310 each have a support projection 222 and 322, respectively, which extends on the winding head side D beyond the axial extent of the ring contour 12.
  • the support projections 222 and 322 each have a rounded, roof-like support surface 224 and 226, respectively.
  • the end plates 210 and 310 differ in the longitudinal extension (along the longitudinal axis L) of a respective support projection 222 or 322 and the design of a respective associated support surface 224 or 324.
  • the differences in design and function can be seen in detail in particular in Figure 13:
  • the "removed contour” has a shape that already takes into account the mechanical shaping of the hairpin roofs; therefore, the support projections 222 are axially longer with an axial extension L_A and the support surfaces 224 are rounded like a roof so that the roofs can form and/or rest on them.
  • the "removed contour” takes into account the twisting process, so that the support projections 322 are axially shorter with an axial extension L_B.
  • the stator 201 of Figure 9 is shown in an oblique view of the "B" side.
  • the coolant outlets 318 of the end plate 310 (and also the coolant outlets 218 of the end plate 210 on the "A" side, which are not visible here) are designed as circular recesses - and relatively small in order to support a high ejection pressure.
  • Fig. 11 the end plate 210 on the "A" side of the electric drive machine is shown in an oblique frontal view.
  • the collar support fingers 220 with the support projections 222 and the shape of the support surfaces 224 are clearly visible.
  • the end plate 210 is shown in a frontal view.
  • the radially outer wave shape of the ring contour 212 is particularly clear, which This serves to save material at the circumferential positions where no coolant supply is required.
  • each of the radial guide recesses 214 which are spaced apart from one another in the circumferential direction, is designed as a radial guide recess 214 with a circumferential individual seal 215 for guiding coolant from two adjacent coolant axial channels to the coolant outlet 218, wherein the respective individual seal 215 is designed only to seal this one radial guide recess 214 and is made of a softer sealing plastic (for example in the sense of a 2K component; in particular of an elastomer material).
  • a sealed radial guide recess 214 of the end plate 210 from Fig. 14 is shown enlarged in different views.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Endscheibe für ein Blechpaket eines Stators einer elektrischen Maschine, aufweisend eine Ringkontur, die sich zwischen einer Blechpaketseite und einer Wickelkopfseite der Endscheibe erstreckt, und an der Blechpaketseite mehrere voneinander in Umfangsrichtung der Ringkontur beabstandete Radialführungsausnehmungen, die jeweils dazu eingerichtet sind, einen Kühlmittelfluss von einem weiter innen am Stator angeordneten Kühlmittelaxialkanal des Blechpakets hin zu einem weiter außen an der Endscheibe angeordneten Kühlmittelauslass zu führen.

Description

Endscheibe für ein Blechpaket eines Stators
Die Erfindung betrifft eine Endscheibe für ein Blechpaket eines Stators einer elektrischen Maschine und einen Stator für eine elektrische Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug.
Wenn bei einer elektrischen Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug die notwendige Kühlung des Stators über nutnahe Kühlkanäle erfolgt, ergibt sich eine Reihe von Herausforderungen im Zusammenhang mit der Kühlmittelführung über das Blechpaket hinaus hin zu den Wickelköpfen und mit dem Zusammenbau des Stators.
Bezüglich der Kühlmittelführung ergibt sich die Herausforderung, eine ausreichende und möglichst gleichmäßige Benetzung der Wickelköpfe mit Kühlmittelspray darzustellen. Bei bekannten Lösungen ist das über eine komplizierte Anordnung verschieden gestanzter Einzelbleche im Zusammenbau des Blechpakets umgesetzt. Eine solche Lösung impliziert eine massive Steigerung in der Komplexität des Stanzvorgangs und eine damit einhergehende Kostensteigerung.
Bezüglich der Fertigung ist problematisch, dass jede Wicklungsnut, in der sich Kupferlackdraht und Nutisolationspapier befinden, zumindest zu einem gewissen Grad mit Träufelharz befüllt werden muss. Damit wird sichergestellt, dass die Leiter einerseits zueinander isoliert bleiben und andererseits nicht akustisch auffällig werden können. Durch diesen Träufelprozess am Blechpaket kann es aber zu stirnseitigen Ablagerungen an Träufelharz kommen. Dies ist bei der an sich bekannten Verwendung zusätzlicher, wicklungsnutnaher (auch als nutnah bezeichneter) Kühlmittelaxialkanäle, durch die im Betrieb ein Kühlmittel fließen soll, problematisch, weil die Ablagerungen - oder im schlimmsten Fall gar ein Träufelharzverschluss - die benötigte Zirkulation des Kühlmittels hin zu den Wickelköpfen behindert oder unterbindet und so die Kühlung verschlechtert.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlung der Wickelköpfe eines Stators, insbesondere für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, zu verbessern.
Jeder der unabhängigen Ansprüche bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einem Aspekt wird offenbart eine Endscheibe für ein Blechpaket eines Stators einer elektrischen Antriebsmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Die Endscheibe weist eine Ringkontur mit einer Ringwandstärke auf, welche sich zwischen einer Blechpaketseite - sprich einer Seite, welche dazu eingerichtet ist, dem Blechpaket zugewandt zu sein -, und einer Wickelkopfseite - sprich einer Seite, welche dazu eingerichtet ist, einem Wickelkopf des Stators zugewandt zu sein -, der Endscheibe erstreckt.
Ferner weist die Endscheibe mehrere, voneinander in Umfangsrichtung beabstandete, Radialführungsausnehmungen an der Blechpaketseite der Ringwandstärke auf, die jeweils dazu eingerichtet sind, insbesondere im Zusammenwirken mit einer Seitenwand eines äußeren Blechs des Blechpakets, einen Kühlmittelfluss von einem radial weiter innen am Stator angeordneten Kühlmittelaxialkanal des Blechpakets hin zu einem radial weiter außen an der Endscheibe angeordneten, hin zu der Wickelkopfseite gerichteten, Kühlmittelauslass zu führen. Durch die Führung des Kühlmittels nach radial außen an der Endscheibe kann auch bei nutnahen Kühlmittelaxialkanälen, die beispielsweise an einer überschneidenden Radialposition mit den Wicklungsnuten angeordnet sein können, ein Benetzen des gesamten Wickelkopfes, insbesondere von radial außen, sichergestellt werden
Zudem wird mit der Ausbildung der Kühlmittelauslässe an einer separat ausgebildeten Endscheibe (anstatt am Blechpaket selbst) die Gefahr reduziert, mit dem Träufelharz zum Verfüllen der Wicklungsnuten abseits der jeweiligen Wicklung versehentlich die Kühlmittelauslässe zu verstopfen.
Ferner wirkt sich die Gestaltung von Kühlmittelauslass-Düsen in Blechen des Blechpakets selbst negativ auf die elektromagnetischen Eigenschaften des Blechpakets aus, sodass deren Ausbildung stattdessen an der Endscheibe sich vorteilhaft auswirkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart ein Stator für eine elektrische Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug. Der Stator weist ein Blechpaket mit mehreren Wicklungsnuten und mehreren Kühlmittelaxialkanälen auf, die in Umfangsrichtung zwischen den Wicklungsnuten angeordnet sind. Beiderseits des Blechpakets weist der Stator jeweils einen Statorwickelkopf auf, ausgehend von den jeweiligen axialen Enden der Wicklungsnuten. Beiderseits des Blechpakets ist jeweils eine Endscheibe gemäß einer Ausführung der Erfindung angeordnet.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass die stirnseitigen Öffnungen der nutnahen Kühlkanäle bezüglich ihrer Position in mehrerlei Hinsicht ungünstig aus dem Blechpaket blicken bzw. fluchten. Die Darstellung von Spraylöchern in den äußeren Blechen des Blechpakets ist sehr komplex und elektromagnetisch nicht ohne Einbußen darstellbar. Ebenso ist wie eingangs geschildert der automatisierte Träufelprozess nur schwer so durchzuführen, dass eine Verklebung der Öffnungen sicher ausgeschossen ist. Im Blechpaket mitgestanzte Spraydüsen wirken sich elektromagnetisch negativ aus und bewirken dadurch eine Aktivlängenverschlechterung. Daraus ergibt sich eine Verschlechterung im leistungsbezogenen Relativgewicht des Stators. Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, eine Endscheibe beiderseits des Blechpakets vorzusehen, die beispielsweise als Kühlmedien-Transferblech ausgestaltet ist.
Die Endscheibe löst für nutnah mit Öl gekühlte Statoren die geschilderten Problemstellungen, indem der Kühlmedienfluss radial nach außen zu einem größeren Radius geführt wird, um dort beispielsweise an ein separates Wickelkopfkühlmodul übergeben oder ausgespritzt zu werden. Damit werden auch die Verstopfungen der Öffnungen der Axialkanäle beim Träufeln des Stators vermieden und eine ggf. nötige Maskierung zum Schutz der Öffnungen kann einfacher angebracht werden. Denn die Öffnungen der Kanäle befinden sich dann nicht mehr in unmittelbarer Nähe der Träufelharzdüse.
Als Material für das Transferblech kommt beispielsweise Stahl in Betracht, weil es wie die Bleche des Blechpakets selbst mit Backlack an das Blechpaket angebracht werden kann. Zusätzlich kann eine Stufe im Gehäuse für ein Anpressen des Transferblechs an den Stator sorgen. Die Endscheibe ist dann so ausgeführt sein, dass es zu keiner Verschlechterung in der Luft- und Kriechstrecke zwischen den Kupfer(Cu)-Leitern der Wickelköpfe und dem Blechpaket kommt, sodass sich die Wickelkopfabmessungen trotz des Verbaus der Endscheibe nicht verschlechtern.
Alternativ kommt als Material, beispielsweise wenn ein gleichzeitiges Paketieren der Transferkontur mit dem übrigen Blechpaket nicht möglich ist, ein dielektrischer Kunst- stoffwerkstoff (z.B. PA6 oder PA12) in Betracht. Eine solche Endscheibe könnte bei Verkleben vor der Statorherstellung einteilig, oder bei einem späteren Aufschrauben am Blechpaket nach Statorherstellung mehrteilig ausgebildet sein, um den Hinterschnitt der radialen Ölkanäle hinter den Leitern zu berücksichtigen. Eine Kunststoff-Endscheibe kann dann eine hochtemperaturfeste Hartkomponente für die Transfergeometrie und eine hochtemperaturfeste Weichkomponente für die Dichtfläche zum Blechpaket haben, und beispielsweise mittels eines Mehrkomponentenspritzguss-Verfahrens hergestellt werden. Verschraubt werden kann beispielsweise mit Senkkopfschrauben, die in der Kontur nicht überstehen. Gemäß einer Ausführung sind die Radialführungsausnehmungen entsprechend einer Positionierung der Kühlmittelaxialkanäle, insbesondere gleichmäßig, voneinander beab- standet. Somit kann von einem axialen Ende eines jeden Kühlmittelaxialkanals unmittelbar das Kühlmittel axial außen geführt werden.
Gemäß einer Ausführung ist jeder Radialführungsausnehmung oder jeweils zwei oder mehr Radialführungsausnehmungen gemeinsam ein Kühlmittelauslass zugeordnet. Bei der ersten alternativen Ausführung kann das Kühlmittel, das einen bestimmten Kühlmittelaxialkanal durchflossen hat, an der entsprechenden Umgangsposition den zugeordneten Teil des Wickelkopfes kühlen. Bei der zweiten alternativen Ausführung kann das Kühlmittel auch bei ungünstigen Druckverhältnissen noch wirksam ausgesprüht werden, weil weniger Auslässe bedient werden müssen. Bei einem eigenen Kühlmittelauslass pro Kühlmittelaxialkanal wäre der benötigte Pumpendruck sehr hoch, die Effizienz der Maschine würde geschmälert werden. Würde man den Druck gleichhalten, dann käme aus den Löchern nur ein Rinnsal, welches im Luftspalt landen würde. Aus diesem Grund ist es vonnöten die Anzahl der Öffnungen zu reduzieren. Erschwerend kommt hinzu, dass, je kleiner die Löcher gestanzt werden, desto kürzer die Standzeit der Stanzwerkzeuge wäre. Viele kleine Löcher müssen gegen wenigere, dafür größere Löcher abgewogen werden.
Gemäß einer Ausführung ist der Kühlmittelauslass als, insbesondere zur Benetzung der Wickelköpfe mit Kühlmittel eingerichtete und/oder auf die Wickelköpfe hin ausgerichtete, Spritzdüse ausgeführt. Bei dieser Ausführung kann der Wickelkopf bereits aufgrund der geeigneten Gestaltung des Kühlmittelauslass/der Kühlmittelauslässe ausreichend mit Kühlmittel besprüht bzw. benetzt werden. Die blechpaketseitigen Ölkanäle können dabei entweder in ein einziges Sammelvolumen geführt werden oder in mehrere Sammelvolumina (Anzahl kleiner als Anzahl der Ölkanäle).
Gemäß einer alternativen Ausführung ist der Kühlmittelauslass als Kühlmittelschnittstelle zu einem Wickelkopfkühlmodul ausgebildet, das zur geeigneten Verteilung des Kühlmittels auf den Wickelkopf ausgebildet ist. Bei dieser Ausführung ist stromabwärts der Endscheibe, und insbesondere stromabwärts der Kühlmittelauslässe, eine weitere Kühlmittelführung vorgesehen, welche derart ausgebildet ist, dass der Titelkopf optimal bzw. wie benötigt mit Kühlmittel benetzt werden kann. Gemäß einer Ausführung ist ein, in Einbaulage des Stators weiter unten angeordneter Kühlmittelauslass mit einem kleineren Querschnitt ausgebildet als ein weiter oben angeordneter Kühlmittelauslass. Damit kann gegebenenfalls der Effekt der Schwerkraft bei der Verteilung des Kühlmittels an den einzelnen Kühlmittelauslässe kompensiert werden und/oder die Tatsache, dass gegebenenfalls obere Partien des Wickelkopfes ausschließlich von dem dort auf-gespritzten Kühlmittel gekühlt werden, während unsere Partien des Wickelkopfes zusätzlich von demjenigen Kühlmittel gekühlt werden können, das von den oberen Partien abläuft.
Gemäß einer Ausführung weist die Endscheibe einen Stahlwerkstoff auf. Insbesondere ist sie ausgebildet aus einem Stahlwerkstoff. Insbesondere weist die Endscheibe eine, die Kontur der Endscheibe vollständig oder nur auf der Wickelkopfseite umgebende, Dielektrikumsschicht auf.
Gemäß einer alternativen Ausführung ist die Endscheibe ausgebildet aus wenigstens einem, insbesondere dielektrischen, Kunststoffwerkstoff. Damit kann die Endscheibe problemlos axial zwischen dem Blechpaket und dem Wickelkopf angeordnet werden, insbesondere auf den Zähnen zwischen den Nuten, ohne dass dadurch Probleme mit Luft- und Kriechstrecken auftreten. Eine axiale Verlängerung des Stators ist dafür nicht nötig. Bei einer geeigneten Gestaltung kann dann die Endscheibe sogar zu einer elektrischen Isolierung des Blechpakets und des Mittelkopfes voneinander beitragen, sodass gegebenenfalls sogar eine axial Verkürzung des Stators infrage kommt.
Insbesondere ist die Endscheibe ausgebildet als Mehrkomponentenbauteil mit einer Hartkomponente zur Ausbildung der Radialführungsausnehmungen und der Ringkontur, und mit einer Weichkomponente zur Ausbildung einer Dichtfläche zum Blechpaket. So kann auf an sich bekannte, und damit einfache und günstige, Weise eine Endscheibe gefertigt werden, die sowohl den strukturellen Anforderungen als auch den Dichtungsanforderungen an die Kühlmittelführung gerecht wird.
Gemäß einer Ausführung sind mehrere in Umfangsrichtung der Ringkontur voneinander beabstandete, umlaufend um eine oder mehrere Radialführungsausnehmungen ausgebildete Dichtungen, insbesondere als Weichkomponente, vorgesehen. Damit ist einfacher eine zuverlässige Dichtung auszubilden als bei einer einzigen, entlang des gesamten Ringkonturumfangs verlaufenden, Dichtung.
Gemäß einer Ausführung ist in Umfangsrichtung zwischen zwei Radialführungsausnehmungen auch wenigstens eine Ausnehmung angeordnet, sodass die Radialführungsausnehmungen durch einen verbleibenden Steg abgegrenzt sind, an dessen Erstreckung die Endscheibe die volle Ringwandstärke aufweist. Damit kann die Endscheibe mit einem möglichst geringen Eigengewicht ausgebildet sein
Gemäß einer Ausführung ist die Endscheibe ausgebildet aus zwei oder mehr, insbesondere sechs, insbesondere identisch ausgebildeten, Umfangsteilen, die insbesondere so zusammengesetzt werden können, dass sie eine in Umfangsrichtung umlaufende Endscheibe ausbilden. Eine aus mehreren Bauteilen zusammengesetzte Endscheibe kann leichter notiert wer-den - insbesondere auch nach dem Einfügen der Wicklungen in die Wicklungsnuten noch. Dadurch kann eine optimierte Kühlung beider Wickelköpfe sichergestellt werden und eine hinterschnittige Positionierung des Bauteils zwischen den Leiterbahnen ermöglicht werden, beispielsweise nach dem Einbringen der Wicklungen.
Gemäß einer Ausführung sind die Endscheiben mittels eines Backlacks mit dem Blechpaket ganz oder anwendungs-spezifisch ausreichend kühlmitteldicht verbacken, insbesondere in einem Verbackprozess, der gemeinsam mit dem Verbacken der Bleche des Blechpakets durchgeführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Träufelprozess so ausgelegt werden, dass das T räufelharz selbst auch einen Beitrag zur Dichtheit des Systems leistet. Dabei kann die Kapillarwirkung der minimal beabstandeten, einzelnen Bleche ausgenutzt werden, da das Träufelharz systembedingt an den dazu nötigen Positionen ohnehin zur Anwendung kommt. So ist der Stator besonders einfach - insbesondere mit besonders wenigen Schritten - herzustellen.
Gemäß einer alternativen Ausführung sind die Radialführungsausnehmungen auf der Blechpaketseite der Endscheiben mit einer elastischen Kunststoffkomponente abgegrenzt und derart mit dem Blechpaket verspannt, insbesondere verschraubt, dass die jeweilige Radialführungsausnehmung und die zugeordnete Seite des Blechpakets ein Radialführung kühlmitteldicht abgrenzen. Auf diese Weise kann die Endscheibe vollständig aus einem dialektischen Kunststoff hergestellt sein - beispielsweise als 2- Komponenten-Bauteil sodass der Stator elektromagnetisch und gegebenenfalls auch bezüglich seines Axialmaßes optimiert ausgebildet werden kann.
Eine Möglichkeit der Montage von Statoren ist mittels eines Hairpin-Twist-Verfahrens.
Bei einem Hairpin-Twist-Verfahren (auch Hairpin-Prozesskette genannt) handelt es sich um ein indirektes Verfahren zur Wicklungsherstellung, insbesondere in Statoren von Antriebsmaschinen. Aufgrund des massiven Leiterquerschnitts werden die Hairpins bereits vor dem Montageprozess zur Einbringung der Steckspulen in das Blechpaket in ihrer Geometrie angepasst. Hierbei wird im Gegensatz zur herkömmlichen Statorproduktion (mit ihren wickelbasierten Montageverfahren) ein umformbasiertes Montageverfahren angewendet. Eine typische Hairpin-Prozesskette weist normalerweise mehrere übergeordnete Prozessschritte auf:
(i) Hairpinherstellung: dabei wird der typischerweise bereits lackierte Kupferflachdraht kontinuierlich abgewickelt und gerichtet, eventuell mehrstufig, um Restkrümmungen und Eigenspannungen zu reduzieren. Da normalerweise in einem späteren Prozessschritt die Kupferenden der einzelnen Hairpins miteinander verschweißt werden, kann nach dem Richtvorgang eine partielle Abisolation des Hairpin-Drahts erfolgen, entwe- den laserbasierte oder mechanisch. In Abhängigkeit von der gewünschten Hairpin-Ge- ometrie wird der Hairpin-Draht mithilfe eines Schneidprozesses abgelängt und gebogen. Die Reihenfolge von Biege- und Ablängoperation kann hierbei variieren. Hairpins werden in die gewünschte, ggf. dreidimensionale, Geometrie umgeformt. Dieser Prozess erfolgt entweder einstufig mithilfe spezieller CNC-Biegeanlagen oder mehrstufig mit Gesenkbiegen und Schwenkbiegen.
(ii) Montage und Twisten: da eine Direktmontage der Hairpins in das Blechpaket durch Überdeckungen der Wickelkopfgeometrie limitiert ist und ein prozesssicheres Einstecken in die Statorbaugruppe gewährleistet sein muss, werden die Hairpins meist in einer sogenannten Montagesonne vormontiert. In Abhängigkeit des Wickelschemas erfolgt die Anordnung der einzelnen Pins in der Vormontage. Ein Hairpin-Stator verfügt typischerweise über wenigstens drei, meist bis zu 21 oder mehr, verschiedene Hairpin- Geometrien. Parallel zur Vormontage wird in die Statornuten Isolationspapier eingeführt. Dies dient der Trennung von Wicklungssystem und Erdpotential des Blechpakets. Nach vollständiger Vormontage der Hairpins wird der gesamte Hairpinkorb (auch Hair- pin-Nest genannt) mithilfe eines Vielfachgreifsystems axial in das Blechpaket eingeführt. Aufgrund sehr geringer Toleranzen werden Hairpins im Ablängprozess teilweise mit Fasen versehen - auch die Nutzung von Positionierhaltern erfolgt im Bedarfsfall. In Abhängigkeit des Wickelschemas werden die Hairpin-Enden je Lage gegeneinander verschränkt. Dieser Prozess wird auch als Twist-Prozess bezeichnet. Neben der Drehbewegung erfolgt eine Bewegung des Montagewerkzeugs in axialer Richtung. Damit einem Schränkwerkzeug axialer Zugang gewährleistet ist, müssen die Hairpin-Enden in einem vorbereitenden Schritt radial freigestellt werden. Der Knackpunkt beim nachfolgenden Fertigungsschritt des Twistens liegt im Beginn der Biegung der Drähte axial von der Blechpaket-Stirnseite aus betrachtet. Wenn zu früh gebogen wird, dann kann das Nutisolationspapier reißen, die LuK-Strecken werden unterschritten, es ist mit Schädigung zu rechnen. Um den Biegeradius an der richtigen Stelle einzuleiten, werden die Kragenstützfinger radial zugestellt und an deren Schulter die Biegung eingeleitet wird.
Daher kommen beim Twisten der Hairpins sogenannte Kragenstützfinger zum Einsatz, die radial zwischen den Leitern dafür sorgen, dass der korrekte Twistradius an der korrekten Stelle eines jeden Hairpins eingeleitet wird. Diese Stützfinger sind je nach Anlagenlieferant unterschiedlich ausgeführt, jedoch eint sie in der Anwendung die radiale Zustellung und die achsiale Abstützung der Biegekräfte ins Blechpakt.
(iii) Schweißen und Verschaltung: nun benachbarte Hairpin-Enden werden gemäß Schaltplan miteinander kontaktiert. In der Regel wird hierzu eine Laserschweißverfahren eingesetzt, welches die Hairpin-Enden aufschmelzt und stoffschlüssig miteinander verbindet. Während des Schweißvorgangs sollte auf homogene Schweißnahtgeometrien sowie eine Minimierung des thermischen Eintrags in die Hairpins geachtet werden. Um reproduzierbare Schweißstrategien verfolgen zu können, liegt eine besondere Herausforderung in der Schaffung einer gleichbleibenden Schweißausgangssituation. Höhen- und Lateralversatz der Hairpin-Enden zueinander können dafür sorgen, dass Schweißfehler entstehen. Um dem entgegenzuwirken, werden in Abhängigkeit der Toleranzen vorgelagerter Prozesse teilweise Korrekturprozesse eingesetzt. (iv) Rendering eines Hairpin-Stators: zur Realisierung von Phasensprüngen und dem Wicklungsanschluss werden anschließend Verschaltelemente wie Kontaktringe, Steckbrücken, Anschlussklemmen oder Jumper mit den geschweißten Hairpin-Enden verbunden. Dieser Prozess erfolgt meist ebenfalls durch einen Laserschweißprozess.
Sekundärisolation: nach der Verschaltung werden im letzten Schritt die verschweißten Kupferenden isoliert, sowie ggf. der Stator imprägniert. Die Isolierung der Kupferenden erfolgt meist durch Pulverbeschichtung oder die Applikation von Gießharzen, beispielsweise auf Polyurethan-Basis. Beim Verguss werden typischerweise Tränk-, Träufel- o- der Vollvergussprozesse eingesetzt. Die Imprägnierung kann analog zu Imprägnierprozessen bei der Herstellung herkömmlich gewickelter Statoren erfolgen. Die Imprägnierung dient dem Schutz vor thermischen, elektrischen, ambienten und mechanischen Einflüssen. Meist werden auch zur Imprägnierung Tauch- oder Träufelverfahren genutzt.
Bei Hairpin-Twist-Verfahren verschlechtern stirnseitige Erhebungen am Blechpaket, die über die magnetische Aktivlänge hinausgehen, die Handling-Fähigkeit in der Fertigung und behindern den Hairpin-Twistprozess.
Gemäß einer Ausführung sind die Kragenstützfinger an der Endscheibe, insbesondere integral damit, ausgebildet und lösen das Fertigungsproblem während des Twistens durch eine zu den Kragenstützfingern analoge, an der Stirnseite des Blechpakets enthaltene, beispielsweise tiefgezogene, Geometrie, die dann aber am Stator verbleibt.
Der Kühlmittel führende Teil ist gemäß einer Ausführung im 2K-Spritzguss so hergestellt, dass es durch das Twisten zu einer axialen Verpressung mit dem Blechpaket kommt, was die Kühlmitteldichtheit gewährleistet. Die Herausforderung bei der Dichtungsauslegung besteht in der Berücksichtigung einerseits der Rückfederung der Drähte nach dem Twisten und andererseits der thermischen Wärmeausdehnungen der verschiedenen eingesetzten Materialien.
Der Kühlmittel führende Teil der Geometrie ist gemäß einer Ausführung so ausgeführt, dass die blechpaketseitigen Kanäle so zusammengeführt werden, dass sie an einer geeigneten Position radial weiter außen wieder in Richtung Wickelkopf geführt werden können:
Die Geometrie ist gemäß einer Ausführung so ausgeführt, dass es zu keiner Verschlechterung in der Luft- und Kriechstrecke zwischen dem Cu-Leiter der Wicklung einerseits und andererseits dem Blechpaket kommt, wodurch sich die Wickelkopfabmessungen nicht verschlechtern.
Gemäß einer Ausführung weist die Endscheibe an einem Umfangsbereich, insbesondere an einer Umfangsposition, einer, mehrerer oder aller Radialführungsausnehmungen jeweils einen Kragenstützfinger auf, welcher sich, insbesondere ausgehend von der Ringkontur, radial nach innen erstreckt, insbesondere weiter als eine Radialposition eines oder mehrerer Kühlmittelaxialkanäle. Anders formuliert weist die Endscheibe gemäß einer Ausführung an einer Umfangsposition jeder Wicklungsnut jeweils einen Kragenstützfinger, welcher sich, insbesondere ausgehend von der Ringkontur, radial entlang eines T eils oder einer Gesamtheit einer Radialerstreckung der Wicklungsnuten des Stators erstreckt. Beim Twisten der Hairpins kommen Kragenstützfinger zum Einsatz, die radial zwischen den Leitern dafür sorgen, dass der korrekte Twistradius an der korrekten Stelle eines jeden Hairpins eingeleitet wird.
Gemäß einer Ausführung ist der/ sind die Kragenstützfinger mit dem Werkstoff einer Hartkomponente eines 2-Komponenten-Spritzgussbauteils ausgebildet. Damit ist die Endscheibe so hergestellt, dass es durch das Twisten zu einer beidseitigen axialen Verpressung mit dem Blechpaket kommt, was die Öldichtheit gewährleistet. Die Hairpins werden während des Twistprozesses noch etwas in Richtung Schaltringseite gezogen, weshalb sich die A-Seite einschnürt. Daher sind A- und B-seitig auch unterschiedliche Ausprägungen der Kragenstützfingerkontur am Sternring vorgesehen.
Die A-seitige Kontur hat eine Ausformung, die bereits auf die maschinelle Ausformung der Hairpindächer Rücksicht nimmt, die B-seitige Kontur nimmt auf den Twistprozess Rücksicht.
Gemäß einer Ausführung ist der/ sind die Kragenstützfinger innerhalb eines Axialbereichs der Ringwandstärke angeordnet. Die in die Geometrie integrierten Kragenstützfinger lösen das Fertigungsproblem während des Twistens durch eine zu den Kragenstützfingern analoge Geometrie, die dann aber am Stator verbleibt.
Gemäß einer Ausführung weisen der/die Kragenstützfinger, insbesondere jeweils, einen Stützvorsprung auf, der sich auf der Wickelkopfseite bezüglich einer Mittelachse der Kreiskontur der Endscheibe über die axiale Erstreckung der Ringkontur hinaus erstreckt. So können die Hairpins in einem vorgesehenen Abstand von dem Blechpaket getwistet werden, insbesondere auch ohne das Nutisolationspapier zu beschädigen.
Gemäß einer Ausführung weist der Stützvorsprung eine abgerundete dachartige Stützoberfläche auf, die insbesondere radial verläuft und/oder einen Teil einer fiktive Ebene der Ringkontur überdacht. So können die Hairpins an der Stützoberfläche gebogen und/oder nach dem Biegen abgestützt werden.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren:
Fig. 1 zeigt einen Stator mit zwei Endscheiben gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Stators der Figur 1.
Fig. 3 zeigt einen teilweise geschnittenen Ausschnitt einer der Endscheiben des Stators der Figur 1.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des Stators der Figur 1.
Fig. 5 zeigt eine Ansicht des Stator der Figur 1 ohne die Wicklungen.
Fig. 6 zeigt in Fig. 6A die Wickelkopfseite und in Fig. 6B die Blechpaketseite einer der Endscheiben des Stators der Figur 1.
Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt einer alternativ gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung im Stator der Figur 1 einsetzbaren Endscheibe mit einer Mehrzahl von längeren Kragenstützfingern sowie einer als Elastomerdichtung ausgebildeten Umlaufdichtung.
Fig. 8 zeigt in Fig. 8A die Blechpaketseite und in Fig. 8B die Wickelkopfseite der alternativen Endscheibe aus Fig. 7.
Fig. 9 zeigt einen Stator mit zwei unterschiedlichen Endscheiben gemäß einer dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung (an der „A“-Seite der elektrischen Antriebsmaschine) bzw. einer vierten beispielhaften Ausführung der Erfindung (an der „B“-Seite der elektrischen Antriebsmaschine) in einer Seitenansicht.
Fig. 10 zeigt den Stator der Figur 9 in einer Schrägansicht auf die „B“-Seite.
Fig. 11 zeigt die Endscheibe gemäß der dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung (an der „A“-Seite der elektrischen Antriebsmaschine) in einer schrägen Frontalansicht.
Fig. 12 zeigt die Endscheibe gemäß der dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer Frontalansicht.
Fig: 13 a/b verdeutlicht den Unterschied in den Stützvorsprüngen der Endscheibe gemäß der dritten beispielhaften Ausführung und der vierten beispielhaften Ausführung
Fig. 14 zeigt die Endscheibe gemäß der dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer Rückansicht auf die Radialführungsausnehmungen und auf mehrere als Elastomerdichtung ausgebildete Einzeldichtungen von Radialführungsausnehmungen.
Fig. 15 a/b zeigt in unterschiedlichen Ansichten eine für sich abgedichtete radial Führung Ausnehmung der Endscheibe aus Figur 14. Fig. 1 zeigt einen Stator 1 für eine elektrische Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug. Der Stator 1 weist ein Blechpaket 2 mit mehreren Wicklungsnuten 4 und mehreren Kühlmittelaxialkanälen 6 auf, die in Umfangsrichtung U zwischen den Wicklungsnuten 4 angeordnet sind. Beiderseits des Blechpakets 2 weist der Stator 1 jeweils einen Statorwickelkopf 8.1 bzw. 8.2 auf, ausgehend von den jeweiligen axialen Enden der Wicklungsnuten. Beiderseits des Blechpakets 2 ist jeweils eine Endscheibe 10 gemäß einer Ausführung der Erfindung angeordnet.
Jede der beiden Endscheiben 10 weist eine Ringkontur 12 mit einer Ringwandstärke X_R auf, welche sich zwischen einer Blechpaketseite P und einer Wickelkopfseite D der Endscheibe 10 erstreckt.
Ferner weist die Endscheibe 10 mehrere, voneinander in Umfangsrichtung U beabstan- dete Radialführungsausnehmungen 14 an der Blechpaketseite P auf, die jeweils dazu eingerichtet sind, im Zusammenwirken mit einer Seitenwand eines äußeren Blechs des Blechpakets 2, einen Kühlmittelfluss F von einem in Radialrichtung R weiter innen am Stator 1 angeordneten Kühlmittelaxialkanal 16 des Blechpakets 2 hin zu einem radial weiter außen an der Endscheibe 10 angeordneten, hin zu der Wickelkopfseite D und damit jeweils einem der Statorwickelköpfe 8.1 oder 8.2 gerichteten Kühlmittelauslass 18 zu führen.
Die Geometrie und die Funktion der Endscheibe 10 im Allgemeinen und im Speziellen der Radialführungsausnehmungen 14 ist insbesondere aus Fig. 3 und Fig. 4 und Fig. 6B gut ersichtlich.
Durch die Führung des Kühlmittels nach radial außen an der Endscheibe kann auch bei nutnahen Kühlmittelaxialkanälen ein Benetzen des gesamten Wickelkopfes von radial außen sichergestellt werden.
Dem vergrößerten Ausschnitt der Figur 1 in Fig. 2 ist zu entnehmen, dass im Ausführungsbeispiel die Radialführungsausnehmungen 14 radial so weit innen beginnen, dass ihre radial inneren Enden eine Festlegung einer Ausrichtung und/oder Festlegung der Endscheibe 10 in Umfangsrichtung U ermöglichen. Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 6 sind damit bereits Bereiche der Endscheibe ausgebildet, die sich radial nach innen erstrecken. Trotzdem sind diese Bereiche noch nicht so weit nach radial innen ausgebildet, dass sie als Kragenstützfinger 120 (vgl. Figuren 7 und 8) beim Hairpin-Twist-Verfahren dienen können. Eine andere beispielhafte Ausführung einer Endscheibe 110 mit solchen Kragenstützfingern 120 ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt und in den zugehörigen Figurenbeschreibungen erläutert.
Den verschiedenen Ansichten der ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung in Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 sind weitere Merkmale und Vorteile zu entnehmen:
Die Radialführungsausnehmungen 14 sind an den Umfangspositionen der Kühlmittelaxialkanäle 16 angeordnet, und dementsprechend in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet. So kann von einem axialen Ende eines jeden Kühlmittelaxialkanals unmittelbar das Kühlmittel axial außen geführt werden.
Zudem ist jeder Radialführungsausnehmung 14 ein Kühlmittelauslass 18 zugeordnet. Daher kann das Kühlmittel, das einen bestimmten Kühlmittelaxialkanal durchflossen hat, an der entsprechenden Umgangsposition den zugeordneten Teil des Wickelkopfes kühlen.
Im Ausführungsbeispiel ist jeder der Kühlmittelauslässe 18 zur Benetzung der Wickelköpfe mit Kühlmittel eingerichtet und auf die Wickelköpfe hin ausgerichtet, sodass das Kühlmittel dorthin ausspritzen kann.
Die Endscheibe 10 ist im Ausführungsbeispiel als dielektrisches Kunststoffbauteil ausgebildet, hergestellt in einem 2-Komponenten-Spritzguss-Verfahren. Dabei ist eine harte Komponente aus einem wärmebeständigen Kunststoff vorgesehen, die unter anderem gemeinsam mit einer Seitenfläche des äußersten Blechs des Blechpakets 2 die Radialführungsausnehmungen 14 begrenzt. Zudem ist eine weiche bzw. elastische Komponente aus einem anderen wärmebeständigen Kunststoff vorgesehen, die die Kontaktflächen zwischen der Endscheibe 10 und dem Blechpaket 2 abdichtet. Damit kann die Endscheibe problemlos axial zwischen dem Blechpaket 2 und dem Wickelkopf 8 angeordnet werden, ohne dass dadurch Probleme mit Luft- und Kriechstrecken auftreten. Eine axiale Verlängerung des Stators 1 ist dafür nicht nötig.
In Fig. 7 und Fig. 8 ist in unterschiedlichen Ansichten eine Endscheibe 110 dargestellt, die zusätzlich voll ausgebildete Kragenstützfinger 120 aufweist. Zudem ist die Geometrie der Radialführungsausnehmungen 114 und der Kühlmittelauslässe 118 anders als in dem anderen Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 6, jedoch insoweit ohne grundlegende funktionale Unterschiede zwischen den beiden Ausführung.
An einem Umfangsbereich jeder der Radialführungsausnehmungen 114 ist jeweils ein Kragenstützfinger 120 vorgesehen, welcher sich ausgehend von der Ringkontur 12 radial nach innen weiter als die Wicklungsnuten 4 des Stators 1 erstreckt. Die Umfangserstreckung der Kragenstützfinger ist so ausgebildet, dass jeder Finger 120 genau den umfänglichen Zwischenraum zwischen zwei Wicklungsnuten 4 abdeckt, sodass der Kragenstützfinger 120 optimal zur Abstützung der Hairpin-Krümmung dienen kann.
Die Kragenstützfinger 120 sind mit dem Werkstoff einer Hartkomponente eines 2-Kom- ponenten-Spritzgussbauteils ausgebildet und so hergestellt, dass es durch das Twisten zu einer axialen Verpressung mit dem Blechpaket kommt, was zur Kühlmitteldichtheit beiträgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist für die Dichtwirkung eine einzige Umlaufdichtung 115 an der Ringkontur 12 radial innerhalb der Radialführungsausnehmungen 114 vorgesehen. Die Umlaufdichtung 115 ist mit dem (insbesondere Elastomer-) Werkstoff einer Weichkomponente des 2-Komponenten-Spritzgussbauteils ausgebildet.
In Fig. 9 ist ein Stator 201 mit einer ersten Endscheibe 210 gemäß einer dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung an der„A“-Seite der elektrischen Antriebsmaschine und einer zweiten Endscheibe 310 gemäß einer vierten beispielhaften Ausführung der Erfindung an der „B“-Seite der elektrischen Antriebsmaschine dargestellt.
Die Kragenstützfinger 220 bzw. 320 der beiden Endscheiben 210 und 310 weisen jeweils einen Stützvorsprung 222 bzw. 322 auf, der sich auf der Wickelkopfseite D über die axiale Erstreckung der Ringkontur 12 hinaus erstreckt. Die Stützvorsprünge 222 bzw. 322 weisen jeweils eine abgerundete, dachartige Stützoberfläche 224 bzw. 226 auf.
Die Endscheiben 210 und 310 unterscheiden sich in der Längserstreckung (entlang der Längsachse L) eines jeweiligen Stützvorsprungs 222 bzw. 322 und der Gestaltung einer jeweils zugehörigen Stützoberfläche 224 bzw. 324. Die Unterschiede in der Gestaltung und in der Funktion sind im Detail insbesondere der Figur 13 zu entnehmen:
Die Hairpins werden während des Twistprozesses noch etwas in Richtung Schaltringseite gezogen, weshalb sich die „A“-Seite einschnürt. Daher sind „A“- und „Beseitig auch unterschiedliche Ausprägungen der Kragenstützfingerkontur am Sternring vorgesehen.
Die „Abseitige Kontur hat eine Ausformung, die bereits auf die maschinelle Ausformung der Hairpindächer Rücksicht nimmt; daher sind die Stützvorsprünge 222 axial länger mit einer Axialerstreckung L_A ausgebildet und die Stützoberflächen 224 derart dachartig abgerundet ausgebildet, dass sich an ihnen die Dächer Ausformen und/oder Anlegen können. Die „Beseitige Kontur nimmt auf den Twistprozess Rücksicht, sodass die Stützvorsprünge 322 axial kürzer mit einer Axialerstreckung L_B ausgebildet sind.
In Fig. 10 ist der Stator 201 der Figur 9 in einer Schrägansicht auf die „B“-Seite gezeigt. In dieser Ansicht wird klar, dass die Kühlmittelauslässe 318 der Endscheibe 310 (und genauso auch die hier nicht sichtbaren Kühlmittelauslässe 218 der Endscheibe 210 an der ,,A“-Seite) als kreisrunde Ausnehmungen ausgebildet sind - und verhältnismäßig klein, um einen hohen Ausspritzdruck zu unterstützen.
In Fig. 11 ist die Endscheibe 210 an der „A“-Seite der elektrischen Antriebsmaschine in einer schrägen Frontalansicht dargestellt. So sind insbesondere die Kragenstützfinger 220 mit den Stützvorsprüngen 222 und der Ausformung der Stützoberflächen 224 deutlich erkennbar.
In Fig. 12 ist die Endscheibe 210 in einer Frontalansicht dargestellt. In dieser Ansicht wird insbesondere die radial äußere Wellenform der Ringkontur 212 deutlich, die der Einsparung von Material an den Umfangspositionen dient, an welchen keine Kühlmittelführung erforderlich ist.
In Fig. 14 ist die Endscheibe 210 in einer Rückansicht gezeigt, sodass die Radialführungsausnehmungen 214 erkennbar sind. Jede der voneinander in Umfangsrichtung be- abstandeten Radialführungsausnehmungen 214 ist zur Führung von Kühlmittel ausgehend von zwei benachbarten Kühlmittelaxialkanälen hin zu dem Kühlmittelauslass 218 ausgebildete Radialführungsausnehmung 214 mit einer umlaufenden Einzeldichtung 215 ausgebildet, wobei die jeweilige Einzeldichtung 215 nur zur Abdichtung dieser einen Radialführungsausnehmung 214 und aus einem weicheren Dichtungs- Kunststoff (bei- spielsweise im Sinne eines 2K-Bauteils; insbesondere aus einem Elastomerwerkstoff) ausgebildet ist.
In Fig. 15 a/b ist in unterschiedlichen Ansichten eine für sich abgedichtete Radialführungsausnehmung 214 der Endscheibe 210 aus Figur 14 vergrößert dargestellt.
BEZUGSZEICHENLISTE
Stator 1 , 201
Blechpaket 2
Wicklungsnuten 4
Kühlmittelaxialkanäle 6
Statorwickelkopf 8.1 , 8.2
Endscheibe 10, 110, 210, 310
Ringkontur 12, 212
Radialführungsausnehmungen 14, 114, 214
Kühlmittelaxialkanal 16
Kühlmittelauslass 18, 118, 218, 318
Umlaufdichtung 115
Kragenstützfinger 120, 220, 320
Einzeldichtung 215
Stützvorsprung 222, 322
Stützoberfläche 224, 324
A-Seite der elektrischen Antriebsmaschine A
B-Seite der elektrischen Antriebsmaschine B
Wickelkopfseite D
Kühlmittelfluss F
Blechpaketseite P
Radialrichtung R
Umfangsrichtung U
Ringwandstärke X_R
Axialerstreckungen L_A, L_B

Claims

ANSPRÜCHE
1. Endscheibe (10, 110, 210, 310) für ein Blechpaket (2) eines Stators (1 , 201) einer elektrischen Maschine, aufweisend
- eine Ringkontur (12), die sich zwischen einer Blechpaketseite (P) und einer Wickelkopfseite (D) der Endscheibe erstreckt,
- an der Blechpaketseite mehrere voneinander in Umfangsrichtung (U) der Ringkontur beabstandete Radialführungsausnehmungen (14, 114, 214), die jeweils dazu eingerichtet sind, einen Kühlmittelfluss (F) von einem in Radialrichtung (R) weiter innen am Stator angeordneten Kühlmittelaxialkanal (16) des Blechpakets hin zu einem radial weiter außen an der Endscheibe angeordneten Kühlmittelauslass (18, 118, 218, 318) hin zu der Wickelkopfseite (D) zu führen.
2. Endscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialführungsausnehmungen entsprechend einer Positionierung der Kühlmittelaxialkanäle, insbesondere gleichmäßig, voneinander beabstandet sind.
3. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Radialführungsausnehmung oder jeweils zwei oder mehr Radialführungsausnehmungen gemeinsam ein Kühlmittelauslass zugeordnet ist.
4. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelauslass als Spritzdüse ausgeführt ist.
5. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiter unten angeordneter Kühlmittelauslass mit einem kleineren Querschnitt ausgebildet ist als ein weiter oben angeordneter Kühlmittelauslass.
6. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen Stahlwerkstoff und/oder wenigstens einen Kunststoffwerkstoff.
7. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als Mehrkomponentenbauteil mit einer Hartkomponente zur Ausbildung der Radialführungsausnehmungen und der Ringkontur, und mit einer oder mehreren Weichkomponenten zur Ausbildung einer Dichtung (115, 215), insbesondere mit einer Dichtfläche, zum Blechpaket. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Umfangsrichtung der Ringkontur voneinander beabstandete, umlaufend um eine oder mehrere Radialführungsausnehmungen ausgebildete Dichtungen (215) vorgesehen sind. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet aus zwei oder mehr, insbesondere sechs, insbesondere identisch ausgebildeten, Umfangsteilen. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch an einem Umfangsbereich einer, mehrerer oder aller Radialführungsausnehmungen jeweils einen Kragenstützfinger (120, 220, 320), welcher sich radial nach innen erstreckt. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch jeweils einen Kragenstützfinger, welcher sich radial entlang eines Teils oder einer Gesamtheit einer Radialerstreckung der Wicklungsnuten (4) des Stators erstreckt, an einer Umfangsposition jeder Wicklungsnut. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der/die Kragenstützfinger mit dem Werkstoff einer Hartkomponente eines 2-Komponenten-Spritzgussbauteils ausgebildet sind. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Kragenstützfinger innerhalb eines Axialbereichs (X_R) der Radialführungsausnehmungen (14) angeordnet sind. Endscheibe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Kragenstützfinger einen Stützvorsprung (222, 322) aufweisen, der sich auf der Wickelkopfseite über die axiale Erstreckung der Ringkontur hinaus erstreckt. Endscheibe gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützvorsprung eine abgerundete dachartige Stützoberfläche (224, 324) aufweist. Stator (1, 201) für eine elektrische Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug, aufweisend - ein Blechpaket (2) mit mehreren Wicklungsnuten (4) und Kühlmittelaxialkanälen (16), die in Umfangsrichtung (U) zwischen den Wicklungsnuten angeordnet sind,
- beiderseits des Blechpakets einen Statorwickelkopf (8.1,
8.2), ausgehend von den jeweiligen axialen Enden der Wicklungsnuten, gekennzeichnet durch beiderseits des Blechpakets jeweils eine Endscheibe (10, 110, 210, 310) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. Stator gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Endscheiben mittels eines Backlacks mit dem Blechpaket kühlmitteldicht verbacken sind. Stator gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialführungsausnehmungen auf der Blechpaketseite (P) der Endscheiben mit einer elastischen Kunststoffkomponente abgegrenzt und mit dem Blechpaket verspannt sind.
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