WO2018211087A1 - Elektrische maschine, insbesondere für ein fahrzeug - Google Patents

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WO2018211087A1
WO2018211087A1 PCT/EP2018/063139 EP2018063139W WO2018211087A1 WO 2018211087 A1 WO2018211087 A1 WO 2018211087A1 EP 2018063139 W EP2018063139 W EP 2018063139W WO 2018211087 A1 WO2018211087 A1 WO 2018211087A1
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stator
coolant
electrical machine
machine according
plastic
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PCT/EP2018/063139
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Mirko HOERZ
Hans-Ulrich Steurer
Josef Sonntag
Stojan Markic
Andrej LICEN
Aleks MEDVESCEK
Peter Sever
Philip GRABHERR
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Mahle International Gmbh
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Definitions

  • Electric machine in particular for a vehicle
  • the invention relates to an electric machine, in particular for a vehicle, as well as a vehicle with such a machine.
  • Such an electrical machine may generally be an electric motor or a generator.
  • the electric machine can be designed as an external rotor or as an internal rotor.
  • a generic machine for example from US 5,214,325. It comprises a housing which surrounds an interior space and which has a jacket radially surrounding the interior in a circumferential direction of the housing, axially on the one hand an axially delimiting the rear wall and axially on the other hand an axially delimiting the front side wall.
  • Firmly connected to the jacket is a stator of the machine.
  • a rotor of the machine is arranged, wherein a rotor shaft of the rotor is rotatably supported via a front shaft bearing on the front side wall.
  • the stator of a conventional electric machine comprises stator windings which are electrically energized during operation of the machine. This creates heat that must be dissipated to avoid overheating and associated damage or even destruction of the stator.
  • a cooling device for cooling the stator - in particular said stator windings.
  • Such a cooling device comprises one or more cooling channels through which a coolant flows and in the vicinity of Stator windings are arranged in the stator. Heat can be removed from the stator by transferring heat from the stator windings to the coolant.
  • an object of the present invention to provide an improved embodiment for an electric machine, in which this disadvantage is largely or even completely eliminated.
  • an improved embodiment for an electrical machine is to be created, which is characterized by improved cooling of the stator windings of the stator.
  • the basic idea of the invention is therefore to embed the stator windings of an electric machine together with a cooling channel through which cooling medium can flow for cooling the stator windings into a plastic mass of an electrically insulating plastic.
  • the plastic can act as a heat transfer medium for transferring heat from the stator windings to the coolant on the one hand and as an electrical insulator for the stator windings on the other hand.
  • a particularly good heat transfer between the stator windings and the guided through the cooling channel coolant is produced.
  • a plastic which has a high thermal conductivity.
  • thermosetting plastics are suitable.
  • the direct thermal coupling of the cooling channel with the coolant to the stator windings to be cooled by means of the invention essential embedding of these two components in a plastic plastic material leads to a comparison with conventional cooling devices particularly effective cooling of the stator windings.
  • the preparation of the plastic mass essential to the invention can preferably be carried out by means of injection molding, in which the stator windings to be cooled as well as the cooling channel for molding the plastic compound are encapsulated with the plastic.
  • the embedding of the stator windings and the cooling channel in the plastic material is therefore very simple. This results in considerable cost advantages in the production of the electric machine according to the invention.
  • An electric machine in particular for a vehicle, comprises a rotor which is rotatable about an axis of rotation. By the rotation axis, an axial direction of the electric machine is defined.
  • the machine also includes a stator having a plurality of stator windings.
  • the machine also includes a coolant distribution space and an axially spaced-apart coolant storage space.
  • the coolant distributor chamber communicates fluidically with the coolant collector chamber by means of at least one cooling channel through which a coolant can flow.
  • a plurality of between the coolant distribution chamber and the coolant collecting space provided such cooling channels.
  • the at least one stator winding for thermal coupling to the coolant is at least partially embedded in a plastic mass of an electrically insulating plastic.
  • the stator may be annular in a cross-section perpendicular to the axial direction and has stator teeth extending along the axial direction and spaced from each other along a circumferential direction of the stator, which support the stator windings.
  • the plastic compound is arranged with the at least one stator winding in a gap, which is formed between two stator teeth adjacent in the circumferential direction. This measure ensures a particularly effective heat transfer between the stator windings and the cooling channel.
  • the space between the stator teeth can be used in the production of the plastic material in the manner of a mold, in which the plastic of the plastic compound is injected. This simplifies the production of the plastic compound since the provision of a separate casting mold can be dispensed with.
  • At least one cooling channel is arranged in the stator body and is formed by at least one opening through which the coolant can flow.
  • Said breakthrough can be realized in the form of a through hole, which is introduced by means of a suitable drilling tool in the course of the production of the electric machine in the stator body.
  • the provision of a separate tubular body or similar to limit the cooling channel is omitted in this variant. This is accompanied by reduced production costs.
  • Particularly preferred are several such breakthroughs are provided.
  • the provision of a separate tubular body or similar to limit the Cooling channel is omitted in this variant. This is accompanied by reduced production costs.
  • Said breakthrough can be realized in the form of a through hole, which is introduced by means of a suitable drilling tool in the plastic compound.
  • the provision of a separate tubular body or similar to limit the cooling channel is omitted in this variant. This is accompanied by reduced production costs.
  • the at least one cooling channel in the stator body is expediently arranged with respect to the circumferential direction in the region between two adjacent stator teeth. This makes it possible to arrange the cooling passage close to the stator windings to be cooled, which improves the heat transfer from the stator windings to the cooling passage.
  • At least one cooling channel is arranged in the plastic compound. This measure ensures a particularly effective heat transfer between the stator windings and the cooling channel, since the cooling channel arranged in the intermediate space is in the immediate vicinity of the cooling stator windings.
  • the cooling channel preferably completely, is limited by the plastic mass.
  • the at least one cooling channel is formed by at least one breakthrough / m apertures, preferably through a plurality, provided in the plastics material and permeable by the coolant. This variant is particularly easy to implement and therefore particularly cost-effective.
  • At least one breakthrough in a cross section perpendicular to the axial direction may have the geometry of a rectangle with two broad sides and two narrow sides.
  • the breakthrough is the advantageous Geometry of a flat tube lent, which in turn allows a space-saving arrangement of the cooling channel in the immediate vicinity of the stator winding (s) to be cooled.
  • the opening forming the cooling channel is open towards the intermediate space.
  • said breakthrough is fluid-tightly sealed by the plastic material arranged in the intermediate space.
  • the breakthroughs are particularly easy to manufacture, which is associated with cost advantages in the production.
  • the coolant distributor space and / or the coolant collector space for thermal coupling to the at least one stator winding are arranged at least partially in the plastic mass and also bounded by the same. This allows a particularly good heat transfer between the coolant distributor chamber or coolant collector chamber and the stator windings, so that the coolant distributor chamber or coolant collector chamber can also be used for direct absorption of waste heat from the stator windings.
  • the plastic compound protrudes axially, preferably on both sides, out of the intermediate space.
  • the plastic material can also be used to at least partially limit the coolant distribution chamber or the coolant collector space.
  • a required in the course of the manufacture of the machine removal of outstanding from the gap plastic mass can be omitted, which is associated with cost advantages in the manufacture of the machine.
  • a further advantageous embodiment therefore proposes that the at least one plastic mass at least partially limits the coolant distributor space and / or the coolant collector space.
  • the plastic mass arranged in the intermediate space consists of a single plastic material.
  • an additional electrical insulation made of an electrically insulating material is arranged in the intermediate space, preferably between the stator winding or plastic compound and the stator tooth. Since in this embodiment, only a single plastic material must be introduced into the interstices, the production of the plastic material from this plastic can be carried out in a single injection molding step. The production of the plastic material is therefore particularly simple, which involves cost advantages.
  • the plastic mass substantially completely fills the intermediate space.
  • undesirable gaps such as in the form of air gaps, which would lead to a reduction of the heat transfer, avoided.
  • the electrically insulating plastic of the plastic mass comprises a thermoset or is a thermosetting plastic.
  • the electrically insulating plastic of the plastic mass may comprise a thermoplastic or be a thermoplastic.
  • a combination of a thermoset and a thermoplastic is conceivable in a further variant.
  • Statorzähnen be provided in each case at least one cooling channel and the plastic mass. In this way it is ensured that operatively generated waste heat can be dissipated from all existing stator windings.
  • a preferred embodiment proposes to form the at least one cooling channel as a tubular body which surrounds a tubular body interior.
  • at least one separating element is formed on the tubular body, which subdivides the tubular body interior into at least two fluid cooling channels which are separated from one another by fluid.
  • An advantageous development proposes to form the tubular body as a flat tube, which extends along the axial direction and has two broad sides and two narrow sides in a cross section perpendicular to the axial direction.
  • a length of the two broad sides may preferably be at least four times, preferably at least ten times, a length of the two narrow sides.
  • at least one broad side of the flat tube extends substantially perpendicular to the radial direction.
  • the coolant distributor chamber and / or the coolant collector chamber are formed by a cavity which is present at least partially, preferably completely, in the plastics material.
  • the plastic compound is an injection molding compound made of an electrically insulating plastic.
  • the plastic compound of the electrically insulating plastic is also arranged on an outer circumferential side of the stator body and preferably forms a plastic coating on this outer peripheral side.
  • the stator can be electrically isolated from the environment.
  • the provision of a separate housing for receiving the stator body can thus be omitted.
  • a coating of at least one or both end sides of the stator body with the plastic compound is also conceivable in an optional variant.
  • the plastic compound can envelop the stator body, preferably completely.
  • the plastic mass at least partially surrounds at least one winding section of the stator winding projecting axially from the space between the stator body and partially delimits the coolant distributor space and / or the coolant collector space, so that the winding section is electrically insulated from the coolant. An undesired electrical short circuit of the coolant with the stator winding during operation of the electric machine is prevented in this way.
  • the coolant distribution chamber communicates by means of a plurality of cooling channels fluidly with the coolant distribution chamber.
  • the plurality of cooling channels extend, spaced from each other, along the axial direction. This measure ensures that all axial sections of the stator windings are cooled.
  • the cooling channels are arranged along a circumferential direction of the stator at a distance from each other. This measure ensures that all the stator windings are cooled along the circumferential direction.
  • the coolant distributor space and / or coolant collector space is arranged exclusively in an axial extension of the stator body adjacent thereto.
  • the coolant distributor chamber or the coolant collector chamber does not project beyond this along a radial direction of the stator body or stator. This embodiment requires only very little installation space in the radial direction.
  • At least one stator winding is particularly preferably designed such that it is electrically isolated from the coolant and the stator body at least in the area within the respective intermediate space during operation of the electrical machine. This is especially preferred for all stator windings of the electrical machine. An undesired electrical short circuit of the stator winding with the stator body or - in the operation of the electric machine - with the coolant is prevented in this way.
  • This electrical insulation of the at least one stator winding from the stator body, preferably also from the stator teeth bounding the gap, is particularly expediently formed completely by the plastic compound and / or by the additional insulator mentioned above.
  • the provision of a further electrical insulator can be omitted in this way.
  • the additional electrical insulation extends within the gap over the entire length of the gap measured along the axial direction, so that they Stator winding isolated from the stator and the space limiting stator teeth.
  • the additional electrical insulation encloses the stator winding within the intermediate space over at least the entire length of the intermediate space along its circumference.
  • the at least one stator winding is also electrically insulated from the cooling channel formed as a tubular body.
  • the electrical insulation is formed by the plastic material and / or the additional insulation.
  • stator windings are part of a distributed winding.
  • the invention further relates to a vehicle, in particular a motor vehicle with a previously presented electric machine.
  • a vehicle in particular a motor vehicle with a previously presented electric machine.
  • FIG. 1 shows an example of an electrical machine according to the invention in a longitudinal section along the axis of rotation of the rotor
  • FIG. 2 shows the stator of the electric machine according to FIG. 1 in a cross section perpendicular to the axis of rotation of the rotor
  • FIG. 3 shows a detail of the stator of FIG. 2 in the region of a gap between two stator teeth which are adjacent in the circumferential direction
  • FIGS. 4-6 variants of the embodiment of FIG. 3,
  • FIG. 7 shows a first variant of the electric machine of FIG. 1, in which the coolant flowing through the cooling channels is also used to cool the shaft bearings of the rotor,
  • FIG. 8 shows a second variant of the electric machine according to FIG. 1, which requires very little installation space
  • Fig. 9 shows a third variant of the machine according to Figure 1, which allows a particularly effective cooling of the stator windings.
  • FIG. 1 illustrates an example of an electrical machine 1 according to the invention in a sectional representation.
  • the electric machine 1 is dimensioned such that it can be used in a vehicle, preferably in a road vehicle.
  • the electric machine 1 comprises a rotor 3, which is shown only roughly in FIG. 1, and a stator 2.
  • the stator 2 in FIG. 2 is shown in a section perpendicular to the axis of rotation D along the section line II-II of FIG shown.
  • the rotor 3 has a rotor shaft 31 and can have a plurality of magnets (not shown in detail in FIG. 1) whose magnetic polarization alternates along the circumferential direction U.
  • the rotor 3 is rotatable about a rotation axis D whose position is determined by the central longitudinal axis M of the rotor shaft 31.
  • an axial direction A is defined, which extends parallel to the rotation axis D.
  • a radial direction R is perpendicular to the axial direction A.
  • a circumferential direction U rotates about the rotation axis D.
  • the rotor 3 is arranged in the stator 2.
  • the electrical machine 1 shown here is a so-called internal rotor. It is also conceivable, however, a realization as a so-called external rotor, in which the rotor 3 is arranged outside of the stator 2.
  • the rotor shaft 31 is rotatably mounted on the stator 2 in a first shaft bearing 32a and, axially spaced therefrom, in a second shaft bearing 32b about the rotation axis D.
  • the stator 2 also comprises, in a known manner, a plurality of stator windings 6 which can be electrically energized to produce a magnetic field. Magnetic interaction of the magnetic field generated by the magnets of the rotor 3 with the magnetic field generated by the stator windings 6 causes the rotor 3 to rotate.
  • the stator 2 may have an annular stator body 7, for example made of iron.
  • the stator body 7 may be formed from a plurality of stator body plates (not shown) stacked on each other along the axial direction A and bonded together be.
  • a plurality of stator teeth 8 are formed radially inwardly extending along the axial direction A, projecting radially inwardly away from the stator 7 and spaced along the circumferential direction U are arranged to each other.
  • Each stator tooth 8 carries a respective stator winding 6.
  • the individual stator windings 6 together form a stator winding arrangement.
  • the individual stator windings 6 of the entire stator winding assembly may be electrically wired together as appropriate.
  • the electrically energized stator windings 6 generate waste heat which has to be dissipated from the machine 1 in order to prevent overheating of the stator 2 and a concomitant damage or even destruction of the machine 1. Therefore, the stator windings 6 are cooled by means of a coolant K which is passed through the stator 2 and can absorb the heat generated by the stator windings 6 by heat transfer.
  • the machine 1 comprises a coolant distributor chamber 4, in which the coolant K can be introduced via a coolant inlet 33.
  • a coolant collecting chamber 5 is arranged.
  • the coolant distributor chamber 4 communicates fluidly with the coolant collector chamber 5 by means of a plurality of cooling channels 10, of which only one can be seen in the representation of FIG each have an annular geometry.
  • a plurality of cooling channels 10 are arranged spaced from each other, each extending along the axial direction A.
  • the coolant introduced into the coolant distributor chamber 4 via the coolant inlet 33 can be distributed to the individual cooling channels 10.
  • the coolant K can be collected in the coolant accumulator chamber 5 and discharged from the machine 1 via a coolant outlet 34 provided on the stator 2.
  • stator windings 6 are arranged in intermediate spaces 9 which are formed between two respective stator teeth 8 adjacent in the circumferential direction U.
  • Said interspaces 9 are also known to those skilled in the art as so-called “stator slots” or “stator slots” which, like the stator teeth 8, extend along the axial direction A.
  • FIG. 3 shows a gap 9 formed between two stator teeth 8 adjacent in the circumferential direction U-also referred to below as stator teeth 8a, 8b-in a detailed representation.
  • a plastic compound 11 of an electrically insulating plastic is provided in each of the spaces 9 according to FIG.
  • the plastic compound 1 1 is an injection molding compound made of an electrically insulating plastic. The use of an injection molding process simplifies and accelerates the production of the plastic compound.
  • the plastic material 1 1 which may for example consist of a thermosetting plastics or thermoplastics or may comprise a thermoset or thermosets, the arranged in the gap 9 cooling channel 10 and arranged in the same space 9 stator windings 6 are embedded.
  • a plastic material 1 1 is provided from a single plastic material in the space 9. It will be appreciated that the stator winding 6 arranged in the intermediate space 9 according to FIG. 3 is in each case partially associated with a first stator winding 6a, which is carried by a first stator tooth 8a and is partially associated with a second stator winding 6b which extends from a first stator tooth 8a in the circumferential direction U adjacent, second stator tooth 8b is worn.
  • FIG. 3 a possible virtual separation line 12 is shown in FIG.
  • the stator winding wires 13a shown at the left of the dividing line 12 in FIG. 3 belong to the stator winding 6a carried on the stator tooth 8a.
  • the stator winding wires 13b shown on the right of the dividing line 12 thus belong to the stator winding 6b carried by the second stator tooth 8b.
  • the cooling channel 10 formed in a respective interspace 9 is realized by a plurality of openings 40 provided in the plastic compound 11 and permeable by the coolant K.
  • the apertures 40 - four such apertures 40 are shown purely by way of example in FIG. 3 - are arranged spaced apart from one another along the circumferential direction U and extend along the axial direction A in each case.
  • the apertures 40 can be realized as through-holes which can be inserted into the groove by means of a suitable drilling tool Plastic compound 1 1 are introduced.
  • the apertures 40 may each have the geometry of a rectangle with two broad sides 20 and two narrow sides 21 in the cross section perpendicular to the axis of rotation D. A length of the two broad sides 20 is at least twice, preferably at least four times, a length of the two narrow sides 21st
  • the advantageous geometry of a flat tube is modeled.
  • an additional electrical insulation 15 made of an electrically insulating material is provided in the respective intermediate space 9 between the plastic compound 11 and the stator body 7 or the two stator teeth 8 delimiting the intermediate space 9 in the circumferential direction U. arranged.
  • Particularly cost-effective proves an electrical insulation 15 made of paper.
  • the openings 40 forming the cooling channel 10 are arranged radially outside the stator windings 6 with respect to the radial direction R in the plastic compound 11.
  • the radial distance of the cooling channel 10 to the axis of rotation D of the rotor 3 is thus greater than the distance of the stator winding 6 to the rotation axis D.
  • the two broad sides 20 of the apertures 40 each extend perpendicular to the radial Direction R.
  • the stator windings 6 are introduced into the interstices 9 and with the plastic compound 1 1 resulting plastic, for example, a thermoset, encapsulated.
  • the cooling channel 10 forming openings 40 are introduced by means of a suitable drilling tool in the plastic mass 1 1.
  • the stator body 7 can also be extrusion-coated with the plastic which results in the plastic compound 11, that is to say in particular with the thermosetting plastic.
  • FIG. 4 shows a variant of the example of FIG. 3.
  • the cooling channel 10 is not arranged in the plastic compound 11 but in the stator body 7 of the stator 2.
  • the openings 40 forming the cooling channel 10 are located radially outside the intermediate space 9 and with respect to the circumferential direction U between two adjacent stator teeth 8a, 8b arranged in the stator 7.
  • the cooling channel 10 is formed by openings 40 which are provided in the stator body 7.
  • the cooling channel 10 can thus in the course of the production of the stator 7 by introducing the openings 40 - preferably in the form of holes using a suitable drilling tool - in the stator body 7 and in the stator body 7 forming stator body plates - are formed.
  • FIG. 5 shows a variant of the example of FIG. 4. Also in the variant according to FIG. 5, the openings 40 forming the cooling channel 10 are arranged in the stator body 7 of the stator 2. In the example of FIG. 5, the apertures 40 arranged in the stator body 7 are open towards the intermediate space 9. As can be seen from FIG. 5, the apertures 40 are closed in a fluid-tight manner towards the intermediate space 9 and from the plastic compound 11 provided in the intermediate space 9.
  • FIG. 6 shows a development of the example of FIG. 5.
  • a cooling channel 10 is provided both in the stator body 7 and in the plastic compound 11.
  • the cooling channel 10 additionally provided in the stator body 7 - hereinafter also referred to as “radially outer cooling channel” 10a - is designed in an analogous manner to, for example, FIG. 5, so that reference is made to the above explanations with regard to FIG Cooling channel 10 is referred to below as “radially inner cooling channel” 10b.
  • the stator winding 6 is thus arranged between the two cooling channels 10a, 10b.
  • the radially outer cooling channel 10b may be formed by a tubular body 16, for example made of aluminum, which surrounds a Rohrkorperinnenraum 22.
  • one or more separating elements 18 may be formed on the tubular body 16, which may be the one or more separating elements Divide the cooling channel 10 in fluidly separate from each other part cooling channels 19.
  • the tubular body 16 is additionally mechanically stiffened.
  • two such separating elements 18 are shown by way of example, so that three partial cooling channels 19 result.
  • the tubular body 16 may be formed as a flat tube 17, which has two broad sides 20 and two narrow sides 21 in cross section perpendicular to the axial direction A.
  • a length of the two broad sides 20 in this case is at least four times, preferably at least ten times, a length of the two narrow sides 21.
  • the broad sides 20 extend perpendicular to the radial direction R.
  • the integrally formed plastic mass 1 1 can protrude axially on both sides of the spaces 9. This also makes it possible to embed the coolant distributor chamber 4 and, alternatively or additionally, the coolant collector chamber 5 for thermal coupling to axial end sections 14a, 14b of the stator windings 6, which are arranged axially outside the respective intermediate space 9.
  • the plastic compound 1 1 limits the coolant distributor chamber 4 and the coolant collector chamber 5 at least partially. In this way, in the region of the usually thermally particularly stressed axial end sections 14a, 14b of the stator windings 6, an effective heat transfer to the cooling medium distributor chamber 4 or coolant collector chamber 5 existingdemit- tel K are produced. This measure allows particularly effective cooling of the two axial end sections 14a, 14b of the stator windings 6.
  • the stator 2 with the stator body 7 and the stator teeth 8 is arranged axially between a first and a second end shield 25a, 25b.
  • part of the coolant distributor chamber 4 is arranged in the first end shield 25a and a part of the coolant distributor chamber 5 is arranged in the second end shield 25b.
  • the coolant distributor chamber 4 and the coolant collector chamber 5 are thus each partially formed by a cavity 41 a, 41 b provided in the plastic compound 11.
  • the first cavity 41 a is supplemented by a formed in the first bearing plate 25 a cavity 42 a to the coolant distribution chamber 4.
  • the second cavity 41 b is supplemented by a formed in the second bearing plate 25 b cavity 42 b to the coolant plenum 5.
  • the plastic compound 1 1 thus limits the coolant distributor chamber 4 and the coolant collector chamber 5 at least partially.
  • a coolant supply 35 can be formed in the first end shield 25a, which connects the coolant distribution chamber 4 fluidically with a coolant inlet 33 provided on the outside, in particular as shown in FIG. 1, on the first end shield 25a.
  • a coolant outlet 36 can accordingly be formed, which fluidly connects the coolant collector chamber 5 with a coolant outlet 34 provided on the outside, in particular as shown in FIG. 1, on the bearing plate 25b.
  • the plastics material 1 1 made of the electrically insulating plastic can also be arranged on an outer circumferential side 30 of the stator body 7 and thus form a plastic coating 11 1 on the outer peripheral side 30.
  • the stator body 7 of the stator 2 which is typically formed of electrically conductive stator plates, can be electrically insulated from the environment. The provision of a separate housing for receiving the stator body 7 can thus be omitted.
  • FIG. 7 shows a variant of the example of FIG. 1.
  • the coolant supply 35 may be thermally coupled to the first shaft bearing 32a arranged in the first end shield 25a.
  • the coolant discharge 36 can be thermally coupled to the second shaft bearing 32b arranged in the second end shield 25b.
  • a separate cooling device for cooling the shaft bearings 32a, 32b can be omitted in this way, resulting in cost advantages.
  • the coolant inlet 33 and the coolant outlet 34 are provided on the outer end face 26a, 26b of the respective end shield 25a, 25b.
  • the stator windings 6 are arranged radially inside the cooling channels 10 along the radial direction R.
  • the stator windings 6 are led out of the stator 2 to the outside with an electrical connection 50 through a bushing 39 provided in the second end shield 25b, so that they can be electrically energized from the outside.
  • the passage 39 is arranged radially between the coolant distributor chamber 4 or the coolant collector chamber 5 and the axis of rotation D.
  • FIG. 8 which shows a simplified embodiment compared to FIG. 7, the coolant distributor chamber 4 and the coolant collector chamber 5 are arranged exclusively in the axial extension of the cooling channels 10. This variant requires for the coolant distribution chamber 4 and for the coolant collecting chamber 5 very little space.
  • FIG. 8 which shows a simplified embodiment compared to FIG. 7
  • the stator windings 6 are arranged radially inside the cooling channels 10 along the radial direction R.
  • the stator windings 6 are led out of the stator 2 with an electrical connection 50 through a bushing 39 provided in the second end shield 25b, so that they can be electrically energized from the outside.
  • the bushing 39 is arranged radially outside the coolant distributor chamber 4 or the coolant collector chamber 5 in the second bearing plate 25b.
  • the coolant distributor chamber 4 surrounds the first axial end section 14a of the respective stator winding 6 in a U-shape in the longitudinal section along the rotation axis D shown in FIG. 9, that is to say axially endwise and radially inward and radially outward.
  • the coolant collector chamber 5 surrounds the second axial end section 14b of the respective stator winding 6 in a U-shaped manner, that is to say axially endwise and radially inward and radially outward.
  • cooling channels 10 are provided both radially inside and radially outside of the stator winding 6.
  • the respective stator windings 6 including their axial end portions 14a, 14b via the cooling channels 10 and the coolant distribution chamber 4 and the coolant collecting chamber 5 in direct thermal contact with the coolant K.
  • This allows a particularly effective cooling of the stator winding 6, including the axial exposed to thermal stresses End sections 14a, 14b.
  • the plastic compound 1 1 can also surround the axially projecting from the gap 9 of the stator body winding section of the stator 6 and thereby partially delimiting the coolant distribution chamber 4 and the coolant accumulator 5, so that the respective stator winding 6 and the respective winding section of the stator winding 6 electrically opposite Coolant is isolated when it flows through the respective cooling channel 10 during operation of the machine 1.
  • the coolant distribution chamber 4 and the coolant collecting chamber 5 are arranged in an axial extension of the stator body 7 adjacent to this.
  • the coolant distributor chamber 4 or the coolant collector chamber 5 does not protrude beyond the radial direction R of the stator body 7 or stator 2.
  • the stator winding 6 is in each case designed such that it is electrically insulated from the coolant K and from the stator body 7 of the stator 2 during operation of the electric machine 1, at least in the area within the respective intermediate space 9. An undesired electrical short circuit of the stator winding 6 with the stator body 7 - during operation of the electric machine 1 - with the coolant K is prevented in this way.
  • an electrical insulation of the stator winding 6 relative to the stator body 7, preferably also with respect to the gap 9 delimiting stator teeth 8, completely by the plastic material and / or by - already mentioned above - additional electrical insulation 15 is formed.
  • the additional electrical insulation 15 extends within the gap 9 over the entire along the axial direction A measured Length of the gap 9 so that it isolates the stator winding 6 from the stator body 7 and / or from the stator teeth 8.
  • the additional electrical insulation 15 encloses the stator winding 6 within the gap 9 over at least the entire length of the gap 9 along the circumferential boundary.
  • stator winding 6 is also electrically insulated from the cooling channel designed as a tubular body 16.
  • the electrical insulation is formed by the plastic compound and, alternatively or additionally, the additional electrical insulation 15.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1), insbesondere für ein Fahrzeug; - mit einem Rotor (3), der um eine Rotationsachse (D) drehbar ist, durch welche eine axiale Richtung (A) der elektrischen Maschine (1) definiert ist, und mit einem Stator (2), der mehrere Statorwicklungen (6) aufweist; - mit einem Kühlmittelverteilerraum (4) und einem axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum (5), wobei der Kühlmittelverteilerraum mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel (K) durchströmbaren Kühlkanals (10) fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum (5) kommuniziert; - wobei die zumindest eine Statorwicklung (6) zur thermischen Ankopplung an das Kühlmittel (K) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, in eine Kunststoffmasse (11) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet ist, in welcher auch der zumindest eine Kühlkanal (10) zumindest abschnittsweise angeordnet ist.

Description

Elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Maschine.
Bei einer derartigen elektrischen Maschine kann es sich allgemein um einen Elektromotor oder um einen Generator handeln. Die elektrische Maschine kann als Außenläufer oder als Innenläufer ausgebildet sein.
Eine gattungsgemäße Maschine ist beispielsweise aus der US 5,214,325 bekannt. Sie umfasst ein Gehäuse, das einen Innenraum umgibt und das einen in einer Umfangsrichtung des Gehäuses umlaufenden, den Innenraum radial begrenzenden Mantel, axial einerseits eine den Innenraum axial begrenzende Rückseitenwand und axial andererseits eine den Innenraum axial begrenzende Vorderseitenwand aufweist. Fest mit dem Mantel ist ein Stator der Maschine verbunden. Im Stator ist ein Rotor der Maschine angeordnet, wobei eine Rotorwelle des Rotors über ein vorderes Wellenlager an der Vorderseitenwand drehbar gelagert ist.
Typischerweise umfasst der Stator einer herkömmlichen elektrischen Maschine Statorwicklungen, die im Betrieb der Maschine elektrisch bestromt werden. Dabei entsteht Wärme, die zur Vermeidung einer Überhitzung und einer damit verbundenen Beschädigung oder gar Zerstörung des Stators abgeführt werden muss. Hierzu ist es aus herkömmlichen elektrischen Maschinen bekannt, diese mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Stators - insbesondere besagter Statorwicklungen - auszustatten. Eine solche Kühleinrichtung umfasst einen oder mehrere Kühlkanäle, die von einem Kühlmittel durchströmt werden und in der Nähe der Statorwicklungen im Stators angeordnet sind. Durch Wärmeübertragung von den Statorwicklungen auf das Kühlmittel kann Wärme vom Stator abgeführt werden.
Als nachteilig erweist sich dabei, dass ein effizienter Wärmeübergang vom Stator auf das durch den jeweiligen Kühlkanal strömende Kühlmittel nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand verbunden ist. Dies wirkt sich jedoch nachteilig auf die Herstellungskosten der elektrischen Maschine aus.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine zu schaffen, bei welcher dieser Nachteil weitgehend oder gar vollständig beseitigt ist. Insbesondere soll eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine geschaffen werden, welche sich durch eine verbesserte Kühlung der Statorwicklungen des Stators auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, die Statorwicklungen einer elektrischen Maschine zusammen mit einem mit Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal zum Kühlen der Statorwicklungen in eine Kunststoffmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff einzubetten. Somit kann der Kunststoff als wärmeübertragendes Medium zur Übertragung von Wärme von den Statorwicklungen auf das Kühlmittel einerseits und als elektrischer Isolator für die Statorwicklungen andererseits wirken. Auf diese Weise wird insbesondere ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Statorwicklungen und dem durch den Kühlkanal geführten Kühlmittel hergestellt. Dies gilt insbesondere, wenn ein Kunststoff verwendet wird, der eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Hierzu eignen sich besonders sogenannte duroplastische Kunststoffe. Durch Verwendung eines elektrisch isolierenden Kunststoffs wird gleichzeitig sichergestellt, dass die zu kühlenden Statorwicklungen durch den Kunststoff nicht auf unerwünschte Weise elektrisch kurzgeschlossen werden.
Die direkte thermische Ankopplung des Kühlkanals mit dem Kühlmittel an die zu kühlenden Statorwicklungen mithilfe der erfindungswesentlichen Einbettung dieser beiden Komponenten in eine Kunststoffmasse aus Kunststoff führt zu einer gegenüber herkömmlichen Kühleinrichtungen besonders effektiven Kühlung der Statorwicklungen. Somit kann auch bei hoher Abwärme-Entwicklung im Stator, wie sie beispielsweise in einem Hochlastbetrieb der elektrischen Maschine auftritt, sichergestellt werden, dass die anfallende Abwärme vom Stator abgeführt werden kann. Eine Beschädigung oder gar Zerstörung der elektrischen Maschine durch Überhitzung des Stators kann somit vermieden werden. Die Herstellung der erfindungswesentlichen Kunststoffmasse kann bevorzugt mittels Spritzgießens erfolgen, bei welchem die zu kühlenden Statorwicklungen sowie der Kühlkanal zur Ausbildung der Kunststoffmasse mit dem Kunststoff umspritzt werden. Die Einbettung der Statorwicklungen und des Kühlkanal in die Kunststoffmasse gestaltet sich daher sehr einfach. Daraus ergeben sich erhebliche Kostenvorteile bei der Herstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug, umfasst einen Rotor, der um eine Rotationsachse drehbar ist. Durch die Rotationsachse wird eine axiale Richtung der elektrischen Maschine definiert. Die Maschine umfasst außerdem einen Stator, der mehrere Statorwicklungen aufweist. Die Maschine umfasst außerdem einen Kühlmittelverteilerraum und einen axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum. Dabei kommuniziert der Kühlmittelverteilerraum mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanals fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum. Bevorzugt sind zwischen dem Kühlmittelverteilerraum und dem Kühlmittelsammlerraum mehrere solche Kühlkanäle vorgesehen. Erfindungsgemäß ist die zumindest eine Statorwicklung zur thermischen Ankopplung an das Kühlmittel zumindest abschnittsweise in eine Kunststoffmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Stator in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung ringförmig ausgebildet sein und besitzt sich entlang der axialen Richtung erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung des Stators beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne, welche die Statorwicklungen tragen. Bei dieser Ausführungsform ist die Kunststoffmasse mit der zumindest einen Statorwicklung in einem Zwischenraum angeordnet, welcher zwischen zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen ausgebildet ist. Diese Maßnahme stellt einen besonders effektiven Wärmeübergang zwischen den Statorwicklungen und dem Kühlkanal sicher. Darüber hinaus kann der Zwischenraum zwischen den Statorzähnen bei der Herstellung der Kunststoffmasse in der Art einer Gussform verwendet werden, in welche der Kunststoff der Kunststoffmasse eingespritzt wird. Dies vereinfacht die Herstellung der Kunststoffmasse, da die Bereitstellung einer separaten Gussform entfallen kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Kühlkanal im Statorkörper angeordnet und wird durch wenigstens einen, von dem Kühlmittel durchströmbaren Durchbruch gebildet. Besagter Durchbruch kann in Form einer Durchgangsbohrung realisiert sein, die mittels einer geeigneten Bohrwerkzeugs im Zuge der Herstellung der elektrischen Maschine in den Statorkörper eingebracht wird. Die Bereitstellung eines separaten Rohrkörpers o.ä. zur Begrenzung des Kühlkanals entfällt bei dieser Variante. Damit gehen reduzierte Herstellungskosten einher. Besonders bevorzugt sind mehrere solche Durchbrüche vorgesehen. Die Bereitstellung eines separaten Rohrkörpers o.ä. zur Begrenzung des Kühlkanals entfällt bei dieser Variante. Damit gehen reduzierte Herstellungskosten einher. Besagter Durchbruch kann in Form einer Durchgangsbohrung realisiert sein, die mittels einer geeigneten Bohrwerkzeugs in die Kunststoffmasse eingebracht wird. Die Bereitstellung eines separaten Rohrkörpers o.ä. zur Begrenzung des Kühlkanals entfällt bei dieser Variante. Damit gehen reduzierte Herstellungskosten einher.
Zweckmäßig ist der zumindest eine Kühlkanal im Statorkörper bzgl. der Umfangs- richtung im Bereich zwischen zwei benachbarten Statorzähnen angeordnet. Dies ermöglicht es, den Kühlkanal nahe an den zu kühlenden Statorwicklungen anzuordnen, was die Wärmeübertragung von den Statorwicklungen zum Kühlkanal verbessert.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Kühlkanal in der Kunststoffmasse angeordnet .Diese Maßnahme stellt einen besonders effektiven Wärmeübergang zwischen den Statorwicklungen und dem Kühlkanal sicher, da sich der im Zwischenraum angeordnete Kühlkanal in unmittelbarer Nachbarschaft zu den kühlenden Statorwicklungen befindet. Zweckmäßig ist der Kühlkanal, vorzugsweise vollständig, durch die Kunststoffmasse begrenzt ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Kühlkanal durch wenigstens einen, vorzugsweise durch mehrere, in der Kunststoffmasse vorgesehene(n) und von dem Kühlmittel durchströmbaren Durchbruch/m Durchbrüche gebildet. Diese Variante ist besonders einfach zu realisieren und daher besonders kostengünstig.
Zweckmäßig kann zumindest ein Durchbruch in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten aufweisen. Auf diese Weise wird dem Durchbruch die vorteilhafte Geometrie eines Flachrohrs verliehen, welche wiederum eine bauraumsparende Anordnung des Kühlkanals in unmittelbarer Nähe der zu kühlenden Statorwick- lung(en) erlaubt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der den Kühlkanal bildende Durchbruch zum Zwischenraum hin offen ausgebildet. Außerdem ist besagter Durchbruch von der im Zwischenraum angeordneten Kunststoffmasse fluiddicht verschlossen. Bei dieser Variante sind die Durchbrüche besonders einfach herzustellen, womit Kostenvorteile bei der Herstellung einhergehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum zur thermischen Ankopplung an die zumindest eine Statorwicklung wenigstens teilweise in der Kunststoffmasse angeordnet und auch von dieser begrenzt. Dies ermöglicht einen besonders guten Wärmeübergang zwischen dem Kühlmittelverteilerraum bzw. Kühlmittelsammlerraum und den Statorwicklungen, sodass auch der Kühlmittelverteilerraum bzw. Kühlmittelsammlerraum zur direkten Aufnahme von Abwärme von den Statorwicklungen herangezogen werden kann.
Zweckmäßig ragt die Kunststoffmasse axial, vorzugsweise beidseitig, aus dem Zwischenraum heraus. Somit kann die Kunststoffmasse auch zum zumindest teilweisen Begrenzen des Kühlmittelverteilerraums bzw. des Kühlmittelsammlerraums verwendet werden. Insbesondere kann ein im Zuge der Herstellung der Maschine erforderliches Entfernen der aus dem Zwischenraum herausragenden Kunststoffmasse entfallen, womit Kostenvorteile bei der Herstellung der Maschine einhergehen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung schlägt daher vor, dass die zumindest eine Kunststoffmasse den Kühlmittelverteilerraum und/oder den Kühlmittelsammlerraum zumindest teilweise begrenzt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die in dem Zwischenraum angeordnete Kunststoffmasse aus einem einzigen Kunststoffmaterial. Bei dieser Ausführungsform ist in dem Zwischenraum, bevorzugt zwischen der Statorwicklung bzw. Kunststoffmasse und dem Statorzahn, eine zusätzliche elektrische Isolation aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Da bei dieser Ausführungsform nur ein einziges Kunststoffmaterial in die Zwischenräume eingebracht werden muss, kann die Herstellung der Kunststoffmasse aus diesem Kunststoff in einem einzigen Spritzgussschritt erfolgen. Die Herstellung der Kunststoffmasse gestaltet sich daher besonders einfach, womit Kostenvorteile einhergehen.
Zweckmäßig füllt die Kunststoffmasse den Zwischenraum im Wesentlichen vollständig aus. Auf diese Weise wird die Ausbildung von unerwünschten Zwischenräumen, etwa in der Art von Luftspalten, die zu einer Minderung des Wärmeübergangs führen würden, vermieden.
Zweckmäßig umfasst der elektrisch isolierende Kunststoff der Kunststoffmasse einen Duroplasten oder ist ein Duroplast. Alternativ kann der elektrisch isolierende Kunststoff der Kunststoffmasse einen Thermoplasten umfassen oder ein Thermoplast sein. Auch eine Kombination aus einem Duroplasten und einem Thermoplasten ist in einer weiteren Variante denkbar.
Zweckmäßig können in zumindest einem Zwischenraum, vorzugsweise in jedem Zwischenraum, zwischen zwei jeweils in Umfangsrichtung benachbarten
Statorzähnen jeweils zumindest ein Kühlkanal und die Kunststoffmasse vorgesehen sein. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass aus allen vorhandenen Statorwicklungen betriebsmäßig erzeugte Abwärme abgeführt werden kann. Eine bevorzugte Ausgestaltung schlägt vor, den zumindest einen Kühlkanal als Rohrkörper auszubilden, der einen Rohrkörperinnenraum umgibt. Bei dieser Variante ist am Rohrkörper wenigstens ein Trennelement ausgeformt, welches den Rohrkörperinnenraum in wenigstens zwei fluidisch voneinander getrennte Teilkühlkanäle unterteilt. Mittels besagter Trennelemente kann der Rohrkörper ausgesteift werden, sodass sich seine mechanische Festigkeit erhöht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung schlägt vor, den Rohrkörper als Flachrohr auszubilden, welches sich entlang der axialen Richtung erstreckt und in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten aufweist. Eine Länge der beiden Breitseiten kann dabei bevorzugt wenigstens das Vierfache, vorzugsweise wenigstens das Zehnfache, einer Länge der beiden Schmalseiten betragen. Bei dieser Weiterbildung erstreckt sich in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung zumindest eine Breitseite des Flachrohrs im Wesentlichen senkrecht zur radialen Richtung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum durch einen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in der Kunststoffmasse vorhandenen Hohlraum ausgebildet. Die Bereitstellung einer separaten Umhüllung bzw. eines Gehäuses zur Begrenzung des Kühlmittel Verteilers bzw. Kühlmittelsammlerraums kann somit entfallen. Damit gehen nicht unerhebliche Kostenvorteile einher.
Besonders bevorzugt ist die Kunststoffmasse eine Spritzgussmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens vereinfacht und beschleunigt die Herstellung der Kunststoffmasse. Dies führt zu Kostenvorteilen bei der Herstellung der elektrischen Maschine. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Kunststoffmasse aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff auch auf einer Außenumfangsseite des Statorkörpers angeordnet ist und vorzugsweise auf dieser Außenumfangsseite eine Kunststoffbe- schichtung ausbildet. Somit kann der Stator elektrisch gegen die Umgebung isoliert werden. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses zur Aufnahme des Statorkörpers kann somit entfallen. Auch eine Beschichtung zumindest einer oder beider Stirnseiten des Statorkörpers mit der Kunststoffmasse ist in einer optionalen Variante denkbar. In einer weiteren Variante kann die Kunststoffmasse den Statorkörper, vorzugsweise vollständig, umhüllen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umgibt die Kunststoffmasse zumindest einen axial aus dem Zwischenraum des Statorkörpers herausragenden Wicklungsabschnitt der Statorwicklung zumindest teilweise und begrenzt dabei den Kühlmittelverteilerraum und/oder den Kühlmittelsammlerraum teilweise, so dass der Wicklungsabschnitt elektrisch gegenüber dem Kühlmittel isoliert ist. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss des Kühlmittels mit der Statorwicklung im Betrieb der elektrischen Maschine wird auf diese Weise verhindert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kommuniziert der Kühlmittelverteilerraum mittels einer Mehrzahl von Kühlkanälen fluidisch mit dem Kühlmittelverteilerraum.
Zweckmäßig erstreckt sich die Mehrzahl von Kühlkanälen sich, im Abstand zueinander, entlang der axialen Richtung. Diese Maßnahme stellt sicher, dass alle axialen Abschnitte der Statorwicklungen gekühlt werden. Bevorzugt sind die Kühlkanäle entlang einer Umfangsrichtung des Stators im Abstand zueinander angeordnet. Diese Maßnahme stellt sicher, dass alle entlang der Umfangsrichtung alle Statorwicklungen gekühlt werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlmittelverteilerraum und/oder Kühlmittelsammlerraum ausschließlich in einer axialen Verlängerung des Statorkörpers benachbart zu diesem angeordnet. Bevorzugt ragt bei dieser Ausführungsform der Kühlmittelverteilerraum bzw. der Kühlmittelsammlerraum entlang einer radialen Richtung des Statorkörpers bzw. Stators nicht über diesen hinaus. Diese Ausführungsform benötigt in radialer Richtung nur sehr wenig Bauraum.
Besonders bevorzugt ist zumindest eine Statorwicklung derart ausgebildet, dass sie im Betrieb der elektrischen Maschine zumindest im Bereich innerhalb des jeweiligen Zwischenraums elektrisch vom Kühlmittel und vom Statorkörper isoliert. Besonders bevorzugt gilt dies für alle Statorwicklungen der elektrischen Maschine. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss der Statorwicklung mit dem Statorkörper bzw. - im Betrieb der elektrischen Maschine - mit dem Kühlmittel wird auf diese Weise verhindert.
Besonders zweckmäßig ist diese elektrische Isolierung der zumindest einen Statorwicklung vom Statorkörper, vorzugsweise auch von den den Zwischenraum begrenzenden Statorzähnen, vollständig durch die Kunststoffmasse und/oder durch den - bereits oben erwähnten - zusätzlichen Isolator gebildet. Die Bereitstellung eines weiteren elektrischen Isolators kann auf diese Weise entfallen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die zusätzliche elektrische Isolation innerhalb des Zwischenraums über die gesamte entlang der axialen Richtung gemessene Länge des Zwischenraums, so dass sie die Statorwicklung vom Statorkörper und von den den Zwischenraum begrenzenden Statorzähnen isoliert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umschließt die zusätzliche elektrische Isolation die Statorwicklung innerhalb des Zwischenraums über mindestens die gesamte Länge des Zwischenraums entlang dessen Umfang.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest eine Statorwicklung auch elektrisch von dem als Rohrkörper ausgebildeten Kühlkanal isoliert. Dabei ist die elektrische Isolierung durch die Kunststoffmasse und/oder die zusätzlichen Isolation gebildet.
Besonders bevorzugt sind die Statorwicklungen Teil einer verteilten Wicklung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einer vorangehend vorgestellten elektrischen Maschine. Die oben erläuterten Vorteile der elektrischen Maschine übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Fahrzeug.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse des Rotor,
Fig. 2 den Stator der elektrischen Maschine gemäß Figur 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse des Rotors,
Fig. 3 eine Detail des Stators der Figur 2 im Bereich eines Zwischenraum zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen,
Fig. 4-6 Varianten des Ausführungsbeispiels der Figur 3,
Fig. 7 eine erste Variante der elektrischen Maschine der Figur 1 , bei welcher das durch die Kühlkanäle strömende Kühlmittel auch zur Kühlung der Wellenlager des Rotors verwendet wird,
Fig. 8 eine zweite Variante der elektrischen Maschine gemäß Figur 1 , welche besonders wenig Bauraum beansprucht,
Fig. 9 eine dritte Variante der Maschine gemäß Figur 1 , welche eine besonders effektive Kühlung der Statorwicklungen ermöglicht.
Figur 1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 in einer Schnittdarstellung. Die elektrische Maschine 1 ist so dimensioniert, dass sie in einem Fahrzeug, vorzugsweise in einem Straßenfahrzeug, eingesetzt werden kann. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen in der Figur 1 nur grobsche- matisch dargestellten Rotor 3 und einen Stator 2. Zur Verdeutlichung ist der Stator 2 in Figur 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D entlang der Schnittlinie II - II der Figur 1 in separater Darstellung dargestellt. Entsprechend Figur 1 besitzt der Rotor 3 eine Rotorwelle 31 und kann mehrere, in der Figur 1 nicht näher dargestellte Magnete aufweisen, deren magnetischer Polarisation entlang der Umfangsrichtung U abwechselt. Der Rotor 3 ist um eine Rotationsachse D drehbar, deren Lage durch die Mittellängsachse M der Rotorwelle 31 festgelegt ist. Durch die Rotationsachse D wird eine axiale Richtung A definiert, welche sich parallel zur Rotationsachse D erstreckt. Eine radiale Richtung R steht senkrecht zur axialen Richtung A. Eine Umfangsrichtung U rotiert um die Rotationsachse D.
Wie Figur 1 erkennen lässt, ist der Rotor 3 im Stator 2 angeordnet. Somit handelt es sich bei der hier gezeigten elektrischen Maschine 1 um einen sogenannten Innenläufer. Denkbar ist aber auch eine Realisierung als sogenannter Außenläufer, bei welcher der Rotor 3 außerhalb des Stators 2 angeordnet ist. Die Rotorwelle 31 ist in einem ersten Wellenlager 32a und, dazu axial beabstandet, in einem zweiten Wellenlager 32b um die Rotationsachse D drehbar am Stator 2 gelagert. Der Stator 2 umfasst außerdem in bekannter Weise mehrere, zum Erzeugen eines magnetischen Feld elektrisch bestrombare Statorwicklungen 6. Durch magnetische Wechselwirkung des von den Magneten des Rotor 3 erzeugten magnetischen Feldes mit dem von den Statorwicklungen 6 erzeugten magnetischen Feld wird der Rotor 3 in Rotation versetzt.
Dem Querschnitt der Figur 2 entnimmt man, dass der Stator 2 einen ringförmigen Statorkörper 7, beispielsweise aus Eisen, aufweisen kann. Insbesondere kann der Statorkörper 7 aus mehreren, entlang der axialen Richtung A aufeinandergesta- pelten und miteinander verklebten Statorkörperplatten (nicht gezeigt) gebildet sein. An dem Statorkörper 7 sind radial innen mehrere Statorzähne 8 angeformt, die sich entlang der axialen Richtung A erstrecken, radial nach innen vom Statorkörper 7 weg abstehen und entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeordnet sind. Jeder Statorzahn 8 trägt eine jeweilige Statorwicklung 6. Die einzelnen Statorwicklungen 6 bilden zusammen eine Statorwicklungsanordnung. Je nach Anzahl der von den Statorwicklungen 6 zu bildenden magnetischen Pole können die einzelnen Statorwicklungen 6 der gesamten Statorwicklungsanordnung in geeigneter Weise elektrisch miteinander verdrahtet sein.
Im Betrieb der Maschine 1 erzeugen die elektrisch bestromten Statorwicklungen 6 Abwärme, die aus der Maschine 1 abgeführt werden muss, um eine Überhitzung des Stators 2 und eine damit einhergehende Beschädigung oder gar Zerstörung der Maschine 1 verhindern. Daher werden die Statorwicklungen 6 mithilfe eines Kühlmittels K gekühlt, welches durch den Stator 2 geführt wird und die von den Statorwicklungen 6 erzeugte Abwärme durch Wärmeübertragung aufnehmen kann. Um das Kühlmittel K durch den Stator 2 zu führen, umfasst die Maschine 1 einen Kühlmittelverteilerraum 4, in welchen über einen Kühlmitteleinlass 33 das Kühlmittel K eingeleitet werden kann. Entlang der axialen Richtung A im Abstand zum Kühlmittelverteilerraum 4 ist ein Kühlmittelsammlerraum 5 angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 kommuniziert mittels mehrerer Kühlkanäle 10, von welchen in der Darstellung der Figur 1 nur ein einzige erkennbar ist, fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum 5. In einem in den Figuren nicht gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A können der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils eine ringförmige Geometrie besitzen. Entlang der Umfangsrichtung U sind mehrere Kühlkanäle 10 beabstandet zueinander angeordnet, die sich jeweils entlang der axialen Richtung A erstrecken. Somit kann das über den Kühlmitteleinlass 33 in den Kühlmittelverteilerraum 4 eingebrachte Kühlmittel auf die einzelnen Kühlkanäle 10 verteilt werden. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 10 und der damit verbundenen Aufnahme von Wärme von den Statorwicklungen kann das Kühlmittel K im Kühlmittelsammlerraum 5 gesammelt und über einen am Stator 2 vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 aus der Maschine 1 ausgeleitet werden.
Wie die Darstellungen der Figuren 1 und 2 erkennen lassen, sind die Statorwicklungen 6 in Zwischenräumen 9 angeordnet, die zwischen jeweils zwei in Um- fangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 ausgebildet sind. Besagte Zwischenräume 9 sind dem einschlägigen Fachmann auch als sogenannte "Stator- Nuten" oder "Stator-Schlitze" bekannt, die sich ebenso wie die Statorzähne 8 entlang der axialen Richtung A erstrecken.
Nun sei das Augenmerk auf die Darstellung der Figur 3 gerichtet, welche einen zwischen zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 - im Folgenden auch als Statorzähne 8a, 8b bezeichnet - ausgebildeten Zwischenraum 9 in einer Detaildarstellung zeigt. Um die Wärmeübertragung der von den Statorwicklungen 6 erzeugten Abwärme auf das durch die Kühlkanäle 10 strömende Kühlmittel K zu verbessern, ist entsprechend Figur 3 in den Zwischenräumen 9 jeweils eine Kunststoffmasse 1 1 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff vorgesehen. Besonders bevorzugt ist die Kunststoffmasse 1 1 eine Spritzgussmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens vereinfacht und beschleunigt die Herstellung der Kunststoffmasse. In die Kunststoffmasse 1 1 , die beispielsweise aus einem Duroplasten oder Thermoplasten bestehen oder einen Duroplasten bzw. Duroplasten umfassen kann, sind der in dem Zwischenraum 9 angeordnete Kühlkanal 10 und die in demselben Zwischenraum 9 angeordneten Statorwicklungen 6 eingebettet. Beim Beispiel der Figur 3 ist in dem Zwischenraum 9 eine Kunststoffmasse 1 1 aus einem einzigen Kunststoffmaterial vorgesehen. Es versteht sich, die dass die in dem Zwischenraum 9 gemäß Figur 3 angeordnete Statorwicklung 6 jeweils teilweise einer ersten Statorwicklung 6a zugehörig ist, die von einem ersten Statorzahn 8a getragen ist, und teilweise einer zweiten Statorwicklung 6b zugeordnet ist, die von einem dem ersten Statorzahn 8a in Um- fangsrichtung U benachbarten, zweiten Statorzahn 8b getragen ist. Zur Verdeutlichung dieses Szenarios ist in Figur 3 eine mögliche virtuelle Trennlinie 12 eingezeichnet. Die in Figur 3 links der Trennlinie 12 gezeigten Statorwicklungsdrähte 13a gehören zu der auf dem Statorzahn 8a getragenen Statorwicklung 6a. Die rechts der Trennlinie 12 gezeigten Statorwicklungsdrähte 13b gehören folglich zu der von dem zweiten Statorzahn 8b getragenen Statorwicklung 6b.
Im Beispiel der Figur 3 ist der in einem jeweiligen Zwischenraum 9 ausgebildete Kühlkanal 10 durch mehrere in der Kunststoffmasse 1 1 vorgesehene und von dem Kühlmittel K durchströmbare Durchbrüche 40 realisiert. Die Durchbrüche 40 - in Figur 3 sind rein beispielhaft vier solche Durchbrüche 40 gezeigt - sind entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeordnet und erstrecken sich jeweils entlang der axialen Richtung A. Die Durchbrüche 40 können als Durchgangsbohrungen realisiert sein, die mittels eines geeigneten Bohrwerkzeugs in die Kunststoffmasse 1 1 eingebracht werden. Die Durchbrüche 40 können in dem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D jeweils die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Breitseiten 20 und mit zwei Schmalseiten 21 aufweisen. Eine Länge der beiden Breitseiten 20 beträgt dabei wenigstens das Zweifache, vorzugsweise wenigstens das Vierfache, einer Länge der beiden Schmalseiten 21 . Somit wird die vorteilhafte Geometrie eines Flachrohrs nachgebildet.
Wie die Detaildarstellung der Figur 3 weiter erkennen lässt, ist im jeweiligen Zwischenraum 9 zwischen der Kunststoffmasse 1 1 und dem Statorkörper 7 bzw. den beiden den Zwischenraum 9 in Umfangsrichtung U begrenzenden Statorzähnen 8 eine zusätzliche elektrische Isolation 15 aus einem elektrisch isolierenden Mate- rial angeordnet. Auf diese Weise kann im Falle, dass die Kunststoffmasse 1 1 aufgrund von thermischer Überlastung aufspringt oder auf andere Weise beschädigt wird, ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss der betroffenen Statorwicklung 6 mit dem Material des Statorkörpers 7 bzw. der Statorzähne 8 - typischerweise Eisen oder ein anderes elektrisch leitendes Material - vermieden werden. Als besonders kostengünstig erweist sich eine elektrische Isolation 15 aus Papier.
Im Beispiel der Figuren 1 bis 3 sind die den Kühlkanal 10 bildenden Durchbrüche 40 bzgl. der radialen Richtung R radial außerhalb der Statorwicklungen 6 in der Kunststoffmasse 1 1 angeordnet. Der radiale Abstand des Kühlkanals 10 zur Rotationsachse D des Rotors 3 ist also größer als der Abstand der Statorwicklung 6 zur Rotationsachse D. In dem in Figur 3 gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A erstrecken sich die beiden Breitseiten 20 der Durchbrüche 40 jeweils senkrecht zur radialen Richtung R.
Zur Herstellung einer elektrischen Maschine 1 gemäß den Figuren 1 bis 3 wird zunächst die elektrische Isolation 15, beispielsweise aus Papier, in die Zwischenräume 9 eingesetzt. Danach werden die Statorwicklungen 6 in die Zwischenräumen 9 eingebracht und mit dem die Kunststoffmasse 1 1 ergebenden Kunststoff, beispielsweise einem Duroplasten, umspritzt. Anschließend werden die den Kühlkanal 10 bildenden Durchbrüche 40 mit Hilfe eines geeigneten Bohrwerkzeugs in die Kunststoffmasse 1 1 eingebracht. Im Zuge der Herstellung der Kunststoffmas- se 1 1 kann auch der Statorkörper 7 mit dem die Kunststoffmasse 1 1 ergebenden Kunststoff, also insbesondere mit dem Duroplasten, umspritzt werden.
Die Figur 4 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 3. Bei der Maschine 1 gemäß Figur 4 ist der Kühlkanal 10 nicht in der Kunststoffmasse 1 1 , sondern im Statorkörper 7 des Stators 2 angeordnet. Wie Figur 4 erkennen lässt, sind die den Kühlkanal 10 bildenden Durchbrüche 40 radial außerhalb des Zwischenraums 9 und bzgl. der Umfangsrichtung U zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 8a, 8b im Statorkörper 7 angeordnet. In analoger Weise zum Beispiel der Figur 3 ist der Kühlkanal 10 durch Durchbrüche 40 gebildet, die im Statorkörper 7 vorgesehen sind. Der Kühlkanal 10 kann somit im Zuge der Herstellung des Statorkörpers 7 durch Einbringen der Durchbrüche 40 - bevorzugt in Form von Bohrungen mit Hilfe eines geeigneten Bohrwerkzeugs - in den Statorkörper 7 bzw. in die den Statorkörper 7 bildenden Statorkörperplatten - gebildet werden.
Die Figur 5 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 4. Auch bei der Variante gemäß Figur 5 sind die den Kühlkanal 10 bildenden Durchbrüche 40 im Statorkörper 7 des Stators 2 angeordnet. Im Beispiel der Figur 5 sind die im Statorkörper 7 angeordneten Durchbrüche 40 zum Zwischenraum 9 hin offen ausgebildet. Wie Figur 5 erkennen lässt, werden die Durchbrüche 40 zum Zwischenraum 9 hin und von der im Zwischenraum 9 vorgesehenen Kunststoffmasse 1 1 fluiddicht verschlossen.
Figur 6 zeigt eine Weiterbildung des Beispiels der Figur 5. Bei der Maschine 1 gemäß Figur 6 ist sowohl im Statorkörper 7 als auch in der Kunststoffmasse 1 1 ein Kühlkanal 10 vorgesehen. Der im Statorkörper 7 zusätzlich vorgesehene Kühlkanal 10 - im Folgenden auch als„radial äußerer Kühlkanal" 10a bezeichnet - ist in analoger Weise zum Beispiel der Figur 5 ausgebildet, so dass auf obige Erläuterungen zu Figur 5 verwiesen wird. Der in der Kunststoffmasse 1 1 angeordnete Kühlkanal 10 wird im Folgenden auch als„radial innerer Kühlkanal" 10b bezeichnet. Bezüglich der radialen Richtung R ist die Statorwicklung 6 also zwischen den beiden Kühlkanälen 10a, 10b angeordnet. Wie die Detaildarstellung der Figur 6 zeigt, kann der radial äußere Kühlkanal 10b durch einen Rohrkörper 16, beispielsweise aus Aluminium, gebildet sein, der einen Rohrkorperinnenraum 22 umgibt. Optional können, wie in der Detaildarstellung der Figur 6 gezeigt, am Rohrkörper 16 ein oder mehrere Trennelemente 18 ausgeformt sein, welche den Kühlkanal 10 in fluidisch voneinander getrennte Teilkühlkanäle 19 unterteilen. Auf diese Weise kann das Strömungsverhalten des Kühlmittels K im Kühlkanal 10 verbessert werden, womit ein verbesserter Wärmeübergang auf das Kühlmittel einhergeht. Außerdem wird der Rohrkörper 16 zusätzlich mechanisch ausgesteift. Im Beispiel der Figur 6 sind exemplarisch zwei solche Trennelemente 18 dargestellt, so dass sich drei Teilkühlkanäle 19 ergeben. Selbstredend ist in Varianten des Beispiels auch eine andere Anzahl an Trennelementen 18 möglich. Der Rohrkörper 16 kann als Flachrohr 17 ausgebildet sein, welches im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A zwei Breitseiten 20 und zwei Schmalseiten 21 aufweist. Eine Länge der beiden Breitseiten 20 beträgt in diesem Fall wenigstens das Vierfache, vorzugsweise wenigstens das Zehnfache, einer Länge der beiden Schmalseiten 21 . Die Breitseiten 20 erstrecken sich senkrecht zur radialen Richtung R.
Die vorangehend diskutierten Varianten gemäß den Figuren 3 bis 6 können, soweit dies sinnvoll ist, miteinander kombiniert werden.
Im Folgenden wird wieder auf die Darstellung der Figur 1 Bezug genommen. Wie die Figur 1 anschaulich belegt, kann die einstückig ausgebildete Kunststoffmasse 1 1 axial beidseitig aus den Zwischenräumen 9 herausragen. Dies erlaubt es, auch den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie, alternativ oder zusätzlich, den Kühlmittelsammlerraum 5 zur thermischen Ankopplung an axiale Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6, die axial außerhalb des jeweiligen Zwischenraum 9 angeordnet sind, in die Kunststoffmasse 1 1 einzubetten. Somit begrenzt bei dieser Ausführungsvariante die Kunststoffmasse 1 1 den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils zumindest teilweise. Auf diese Weise kann auch im Bereich der üblicherweise thermisch besonders belasteten axialen Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6 ein effektiver Wärmeübergang an das im Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. Kühlmittelsammlerraum 5 vorhandene Kühlmit- tel K hergestellt werden. Diese Maßnahme erlaubt eine besonders effektive Kühlung der beiden axialen Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6.
Ferner ist gemäß Figur 1 der Stator 2 mit dem Statorkörper 7 und den Statorzähnen 8 axial zwischen einem ersten und einem zweiten Lagerschild 25a, 25b angeordnet. Wie die Figur 1 erkennen lässt, ist ein Teil des Kühlmittelverteilerraums 4 in dem ersten Lagerschild 25a und ein Teil des Kühlmittelverteilerraums 5 in dem zweiten Lagerschild 25b angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 sind somit jeweils teilweise durch einen in der Kunst- stoffmasse 1 1 vorgesehenen Hohlraum 41 a, 41 b gebildet. Der erste Hohlraum 41 a wird dabei durch einen im ersten Lagerschild 25a ausgebildeten Hohlraum 42a zum Kühlmittelverteilerraum 4 ergänzt. Entsprechend wird der zweite Hohlraum 41 b durch einen im zweiten Lagerschild 25b ausgebildeten Hohlraum 42b zum Kühlmittelsammlerraum 5 ergänzt. Bei der vorangehend erläuterten Ausführungsvariante begrenzt die Kunststoffmasse 1 1 den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kühlmittelsammlerraum 5 also zumindest teilweise.
Im ersten Lagerschild 25a kann ferner eine Kühlmittelzuführung 35 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelverteilerraum 4 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in Figur 1 dargestellt umfangsseitig, am ersten Lagerschild 25a vorgesehenen Kühlmitteleinlass 33 verbindet. Im zweiten Lagerschild 25b kann entsprechend eine Kühlmittelabführung 36 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelsammlerraum 5 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in Figur 1 dargestellt umfangsseitig, am Lagerschild 25b vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 verbindet. Dies ermöglicht eine Anordnung des Kühlmittelverteilerraums 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils radial außen am ersten bzw. zweiten Endabschnitt 14a, 14b der betreffenden Statorwicklung 6 und auch in der Verlängerung dieser Endabschnitte 14a, 14b entlang der axialen Richtung A. Die im Betrieb der Maschine 1 thernnisch besonders belasteten Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6 werden auch mittels dieser Maßnahme besonders effektiv gekühlt.
Gemäß Figur 1 kann die Kunststoffmasse 1 1 aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff auch auf einer Außenumfangsseite 30 des Statorkörpers 7 angeordnet sein und somit auf der Außenumfangsseite 30 eine Kunststoffbeschichtung 1 1 .1 ausbilden. Somit kann der typischerweise aus elektrisch leitenden Statorplatten gebildete Statorkörper 7 des Stators 2 elektrisch gegen die Umgebung isoliert werden. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses zur Aufnahme des Statorkörpers 7 kann somit entfallen.
Die Figur 7 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 1 . Um auch die Rotorwelle 31 sowie die beiden Wellenlager 32a, 32b im Betrieb der Maschine 1 zu kühlen, kann die Kühlmittelzuführung 35 thermisch an das im ersten Lagerschild 25a angeordnete, erste Wellenlager 32a gekoppelt sein. Ebenso kann die Kühlmittelabführung 36 thermisch an das im zweiten Lagerschild 25b angeordnete, zweite Wellenlager 32b gekoppelt sein. Eine separate Kühleinrichtung zum Kühlen der Wellenlager 32a, 32b kann auf diese Weise entfallen, woraus sich Kostenvorteile ergeben. Im Beispiel der Figur 7 sind der Kühlmitteleinlass 33 und der Kühlmittel- auslass 34 an der äußeren Stirnseite 26a, 26b des jeweiligen Lagerschilds 25a, 25b vorgesehen. Bei der Variante gemäß den Figuren 7 und 1 sind die Statorwicklungen 6 entlang der radialen Richtung R radial innerhalb der Kühlkanäle 10 angeordnet. Die Statorwicklungen 6 sind mit einem elektrischen Anschluss 50 durch eine im zweiten Lagerschild 25b vorgesehene Durchführung 39 aus dem Stator 2 heraus nach außen geführt, so dass sie von außen elektrisch bestromt werden können. Die Durchführung 39 ist radial zwischen dem Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. dem Kühlmittelsammlerraum 5 und der Drehachse D angeordnet. Im Beispiel der Figur 8, welche eine gegenüber der Figur 7 vereinfachte Ausführungsform zeigt, sind der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 ausschließlich in der axialen Verlängerung der Kühlkanäle 10 angeordnet. Diese Variante benötigt für den Kühlmittelverteilerraum 4 und für den Kühlmittelsammlerraum 5 besonders wenig Bauraum. Bei der Variante gemäß Figur 8 sind die Statorwicklungen 6 entlang der radialen Richtung R radial innerhalb der Kühlkanäle 10 angeordnet. Die Statorwicklungen 6 sind mit einem elektrischen An- schluss 50 durch eine im zweiten Lagerschild 25b vorgesehene Durchführung 39 aus dem Stator 2 heraus nach außen geführt, so dass sie von außen elektrisch bestromt werden können. Die Durchführung 39 ist bzgl. der radialen Richtung radial außerhalb des Kühlmittelverteilerraums 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 im zweiten Lagerschild 25b angeordnet.
Im Beispiel der Figur 9 ist eine Weiterbildung der Figur 7 gezeigt. Bei dieser Weiterbildung umgibt der Kühlmittelverteilerraum 4 in dem in Figur 9 dargestellten Längsschnitt entlang der Rotationsachse D den ersten axialen Endabschnitt 14a der jeweiligen Statorwicklung 6 U-förmig, also axial endseitig sowie radial innen und radial außen. Entsprechend umgibt der Kühlmittelsammlerraum 5 in dem Längsschnitt entlang der Rotationsachse D den zweiten axialen Endabschnitt 14b der jeweiligen Statorwicklung 6 U-förmig, also axial endseitig sowie radial innen und radial außen. Bei dieser Variante sind Kühlkanäle 10 sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb der Statorwicklung 6 vorgesehen. Somit sind die jeweiligen Statorwicklungen 6 einschließlich ihrer axialen Endabschnitte 14a, 14b über die Kühlkanäle 10 sowie den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kühlmittelsammlerraum 5 in direktem thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel K. Dies erlaubt eine besonders effektive Kühlung der Statorwicklung 6 einschließlich der thermisch besonderen Belastungen ausgesetzten axialen Endabschnitte 14a, 14b. Die Kunststoffmasse 1 1 kann auch den axial aus dem Zwischenraum 9 des Statorkörpers herausragenden Wicklungsabschnitt der Statorwicklung 6 umgeben und dabei den Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. den Kühlmittelsammlerraum 5 teilweise begrenzen, so dass die betreffende Statorwicklung 6 bzw. der betreffende Wicklungsabschnitt der Statorwicklung 6 elektrisch gegenüber dem Kühlmittel isoliert ist, wenn dieses im Betrieb der Maschine 1 durch den betreffenden Kühlkanal 10 strömt. .
Zweckmäßig sind der Kühlmittelverteilerraum 4 sowie der Kühlmittelsammlerraum 5 in einer axialen Verlängerung des Statorkörpers 7 benachbart zu diesem angeordnet. Bevorzugt ragt der Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. der Kühlmittelsammlerraum 5 entlang der radialen Richtung R des Statorkörpers 7 bzw. Stators 2 nicht über diesen hinaus.
Die Statorwicklung 6 ist jeweils derart ausgebildet, dass sie im Betrieb der elektrischen Maschine 1 zumindest im Bereich innerhalb des jeweiligen Zwischenraums 9elektrisch vom Kühlmittel K und vom Statorkörper 7 des Stators 2 isoliert ist. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss der Statorwicklung 6 mit dem Statorkörper 7 - im Betrieb der elektrischen Maschine 1 - mit dem Kühlmittel K wird auf diese Weise verhindert. Zweckmäßig ist eine solche elektrische Isolierung der Statorwicklung 6 gegenüber dem Statorkörper 7, vorzugsweise auch gegenüber den den Zwischenraum 9 begrenzenden Statorzähnen 8, vollständig durch die Kunststoffmasse und/oder durch die - bereits oben erwähnten - zusätzliche elektrische Isolation 15 gebildet.
Zweckmäßig erstreckt sich die zusätzliche elektrische Isolation 15 innerhalb des Zwischenraums 9 über die gesamte entlang der axialen Richtung A gemessene Länge des Zwischenraums 9, so dass sie die Statorwicklung 6 vom Statorkörper 7 und bzw. von den Statorzähnen 8 isoliert.
Zweckmäßig umschließt die zusätzliche elektrische Isolation 15 die Statorwicklung 6 innerhalb des Zwischenraums 9 über mindestens die gesamte Länge des Zwischenraums 9 entlang dessen umfangsseitiger Begrenzung.
Zweckmäßig ist die Statorwicklung 6 auch elektrisch von dem als Rohrkörper 16 ausgebildeten Kühlkanal isoliert. Dabei ist die elektrische Isolierung durch die Kunststoffmasse sowie, alternativ oder zusätzlich, den zusätzliche elektrische Isolation 15 gebildet.

Claims

Ansprüche
1 . Elektrische Maschine (1 ), insbesondere für ein Fahrzeug,
mit einem Rotor (3), der um eine Rotationsachse (D) drehbar ist, durch welche eine axiale Richtung (A) der elektrischen Maschine (1 ) definiert ist, und mit einem Stator (2), der Statorwicklungen (6) aufweist,
mit einem Kühlmittelverteilerraum (4) und einem axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum (5), wobei der Kühlmittelverteilerraum (4) zum Kühlen der Statorwicklungen (6) mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel (K) durchströmbaren Kühlkanals (10) fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum (5) kommuniziert,
wobei zumindest eine Statorwicklung (6) zur thermischen Kopplung in eine Kunststoffmasse (1 1 ) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator (2) einen, vorzugsweise ringförmigen, Statorkörper (7) umfasst, vom Statorkörper (7) sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung (U) beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne (8) abstehen, welche die Statorwicklungen (6) tragen,
wobei die Kunststoffmasse (1 1 ) mit der zumindest einen Statorwicklung (6) in einem Zwischenraum (9) angeordnet ist, der zwischen zwei in der Umfangsrichtung (U) benachbarten Statorzähnen (8) ausgebildet ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Kühlkanal (10, 10a) im Statorkörper (7) angeordnet und durch wenigstens einen von dem Kühlmittel (K) durchströmbaren Durchbruch (40) gebildet ist.
4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Kühlkanal (10, 10a) bzgl. der Umfangsrichtung (U) im Bereich zwischen zwei benachbarten Statorzähnen (8, 8a, 8b) im Statorkörper (7) angeordnet ist.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Kühlkanal (10, 10b) in der Kunststoffmasse (1 1 ) angeordnet ist, wobei der Kühlkanal vorzugsweise durch die Kunststoffmasse, insbesondere vollständig durch die Kunststoffmasse begrenzt ist.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Kühlkanal (10) durch wenigstens einen, vorzugsweise durch mehrere, in der Kunststoffmasse (1 1 ) vorgesehene(n) und von dem Kühlmittel (K) durchströmbaren Durchbruch/Durchbrüche (40) gebildet ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Durchbruch (40) in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Breitseiten (20) und zwei Schmalseiten (21 ) aufweist.
8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der den Kühlkanal (10) bildende und im Statorkörper (7) angeordnete Durchbruch (40) zum Zwischenraum (9) hin offen ausgebildet ist und von der im Zwischenraum (9) angeordneten Kunststoffmasse (1 1 ) fluiddicht verschlossen ist.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsammlerraum (5) zur thermischen Ankopplung an die zumindest eine Statorwicklung (6) wenigstens teilweise in der Kunststoffmasse (1 1 ) angeordnet und von dieser begrenzt ist.
10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kunststoffmasse (1 1 ) axial, insbesondere beidseitig, aus dem Zwischenraum (9) herausragt.
1 1 . Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in zumindest einem Zwischenraum (9) die Kunststoffmasse (1 1 ) aus einem einzigen Kunststoff(mate al) besteht,
in dem Zwischenraum (9) eine zusätzliche elektrische Isolation (15) aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet ist.
12. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche elektnsche Isolation (15) zwischen der Statorwicklung (6) und dem Statorzahn (8), vorzugsweise zwischen der Kunststoffmasse (1 1 ) und dem Statorzahn (8), angeordnet ist.
13. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrisch isolierende Kunststoff (1 1 ) einen Duroplasten umfasst oder ein Duroplast ist, und/oder dass
der elektrisch isolierende Kunststoff (1 1 ) einen Thermoplasten umfasst oder ein Thermoplast ist.
14. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in zumindest einem, vorzugsweise in jedem, Zwischenraum (9) zwischen zwei jeweils in Umfangsrichtung (U) benachbarten Statorzähnen (8a, 8b) zumindest ein Kühlkanal (10) und die Kunststoffmasse (1 1 ) aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff angeordnet sind.
15. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der in die Kunststoffmasse (1 1 ) eingebettete Kühlkanal (10) einen Rohrkörper (16) umfasst, der einen Rohrkörperinnenraum (22) umgibt,
wobei am Rohrkörper (16) wenigstens ein Trennelement (18) ausgeformt ist, welches den Rohrkörperinnenraum (22) in wenigstens zwei fluidisch voneinander getrennte Teilkühlkanäle (19) unterteilt.
16. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der in der Kunststoffmasse (1 1 ) angeordnete Rohrkörper (16) als Flachrohr (17) ausgebildet ist,
wobei sich in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) zumindest eine Breitseite des Flachrohrs (17) im Wesentlichen senkrecht zur radialen Richtung (R) erstreckt.
17. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kunststoffmasse (1 1 ) eine Spritzgussmasse aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff ist.
18. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kunststoffmasse (1 1 ) aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff auf einer Außenumfangsseite (30) des Statorkörpers (7) angeordnet ist und vorzugsweise auf dieser Außenumfangsseite (30) eine Außenbeschichtung (1 1 .1 ) ausbildet.
19. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kunststoffmasse (1 1 ) zumindest einen axial aus dem Zwischenraum (9) herausragenden Wicklungsabschnitt der Statorwicklung (6) zumindest teilweise umgibt und dabei den Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder den Kühlmittelsammlerraum (5) teilweise begrenzt, so dass dieser Wicklungsabschnitt im Betrieb der Maschine (1 ) elektrisch gegenüber dem Kühlmittel (K) isoliert ist.
20. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelverteilerraum (4) mittels einer Mehrzahl von Kühlkanälen (10) fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum (5) kommuniziert.
21 . Elektrische Maschine nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Kühlkanälen (10) sich zueinander beabstandet entlang der axialen Richtung (A) erstrecken.
22. Elektrische Maschine nach Anspruch 20 oder 21 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (10) entlang einer Umfangsrichtung (U) des Stators (2) im Abstand zueinander angeordnet sind.
23. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder Kühlmittelsammlerraum (5) ausschließlich in einer axialen Verlängerung des Statorkörpers (7) oder Stators (2) benachbart zu diesem angeordnet ist und sich vorzugsweise entlang einer radialen Richtung (R) des Statorkörpers (7) bzw. Stators (2) nicht über diesen hinaus ragt.
24. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Statorwicklung (6) derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb der elektrischen Maschine (1 ) zumindest im Bereich innerhalb des jeweiligen Zwischenraums (9) elektrisch vom Kühlmittel (K) und vom Statorkörper (7) isoliert ist.
25. Elektrische Maschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass
diese elektrische Isolierung der zumindest einen Statorwicklung (6) vom Statorkörper (7), vorzugsweise auch von den den Zwischenraum (9) begrenzenden Statorzähnen (8), bevorzugt vollständig, durch die Kunststoffmasse (1 1 ) und/oder durch die zusätzliche elektrische Isolation (15) gebildet ist.
24. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 1 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die zusätzliche elektrische Isolation (15) innerhalb des Zwischenraums über die gesamte entlang der axialen Richtung (A) gemessene Länge des Zwischenraums erstreckt, so dass sie die Statorwicklung (6) vom Statorkörper (7) und von den den jeweiligen Zwischenraum (9) begrenzenden Statorzähnen (8) isoliert.
25. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 1 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zusätzliche elektrische Isolation (15) die Statorwicklung (6) innerhalb des Zwischenraums (9) über mindestens die gesamte Länge des Zwischenraums (6) entlang dessen Umfang umschließt.
26. Elektrische Maschine nach Anspruch 24 oder 25, wenn rückbezogen auf Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest eine Statorwicklung (6) durch die Kunststoffmasse (1 1 ) und/oder die zusätzliche Isolation (15) elektrisch von dem als Rohrkörper (16) ausgebildeten Kühlkanal (10) isoliert ist,
wobei die elektrische Isolierung durch die Kunststoffmasse (1 1 ) und/oder die zusätzlichen Isolation (15) gebildet ist.
27. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Statorwicklungen (6) Teil einer verteilten Wicklung sind.
28. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer elektrischen Maschine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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