WO2019238365A1

WO2019238365A1 - Rotierende elektrische maschine, elektromotor, fahrzeug mit elektroantrieb, spaltrohr und herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: WO2019238365A1
Application number: PCT/EP2019/063108
Authority: WO
Inventors: Werner Ness
Original assignee: Magna powertrain gmbh & co kg
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2019-12-19
Also published as: DE112019002966A5; US20210218316A1

Abstract

Eine elektrische Maschine (10) hat einen Rotor (11), einen vom Rotor (11) in radialer Richtung durch einen Spalt (17) beabstandeten Stator (12) mit einer oder mehreren Statorwicklungen und Wicklungsköpfen (12a, 12b) an einem oder beiden axialen Enden (12x, 12y) des Stators (12), im Spalt (17) ein Rohr (14) mit fluiddichter Wand, die sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstreckt und eine Wandstärke in radialer Richtung hat, wobei das Rohr (14) sich an mindestens einem Statorende (12x) in axialer Richtung über die Wicklungsköpfe (12a) des Stators (12) hinaus erstreckt, mindestens einen sich radial erstreckenden und die Wicklungsköpfe (12a) des mindestens einen axialen Endes (12x) des Stators (12) überdeckenden Deckel (15a) an dem mindestens einen axialen Enden des Rohrs (17), und einen Kühlfluideinlass und/oder einem Kühlfluidauslass für eine von dem Rohr (14) und dem Deckel (15a) verschlossene Kühlfluidkammer (16a). Mindestens Bereiche des Rohrs (14) sind mit einem Ferritmaterial gebildet.

Description

Rotierende elektrische Maschine, Elektromotor, Fahrzeug mit Elektroantrieb, Spaltrohr und Herstellungsverfahren hierfür

Die Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine, einen Elektromotor, ein Fahrzeug mit Elektroantrieb, ein Spaltrohr und ein Herstellungsverfahren für ein Spaltrohr.

Fahrzeuge mit Elektroantrieb weisen einen oder mehrere Elektromotoren auf, die von einer Energiequelle (oft Batterie) gespeist werden. Im Betrieb entwickeln auch Elektromotoren Abwärme. Sie ist so groß, dass sie konstruktiv berücksichtigt und abgeführt werden muss.

Die Abwärme entsteht auch in der Statorwicklung. Thermisch besonders belastete Bereiche sind dabei oft die Wicklungsköpfe, also diejenigen Teile der

Wicklungsleitungen, die an den axialen Enden des Stators in axialer Richtung aus dem Stator bzw. aus dessen Spalten herausragen, und untereinander verbunden sind.

Das Problem sich aufheizender Wicklungsköpfe tritt insbesondere im Betriebsbereich höherer Dauerlasten auf oder bei hohen Spitzenlasten. Es bildet dann tatsächlich bei derzeitigen Bauweisen oft die effektive Systemgrenze für die nutzbare Motorleistung. Soweit eine Mantelkühlung des Stators vorgesehen ist, kommt dies besonders dem Statorkörper zugute. Demgegenüber liegen die Wicklungsköpfe entfernt von der Wärmesenke, so dass schon deswegen die Wicklungsköpfe thermisch das

"Nadelöhr" in der Kühlung des Motors darstellen. Als Abhilfe für das Problem sind ölgekühlte Motoren bekannt, bei denen der gesamte Innenraum des Elektromotors von umgewälztem Öl umspült wird, das als Kühlfluid dient. Nachteil dieser

Konstruktion ist, dass das Öl ein Schleppmoment (Bremsmoment) für den Motor bewirkt und somit dessen Wirkungsgrad senkt. Darüber hinaus müssen die

Lagerungen des Rotors fluiddicht ausgeführt werden. Eine weitere Abhilfe für das Problem überhitzender Wicklungsköpfe sind Spaltrohrmotoren. Bei ihnen liegt im Luftspalt zwischen Stator und Rotor ein Rohr, das den Stator in beide axialen

Richtungen bis über die Wicklungsköpfe hinaus überragt. Es sind weiterhin Deckel vorgesehen, mittels derer gegebenenfalls mittels weiterer Komponenten, beispielsweise Gehäusewände, ein geschlossener Ringraum um die Wicklungsköpfe herum gebildet werden kann. Dieser wird von einem aktiv umgewälzten Kühlfluid durchsetzt, das generierte Abwärme abführt. Nachteil der bekannten

Spaltrohrmotoren ist es, dass sie einen deutlich verbreiterten Luftspalt zwischen Stator und Rotor aufweisen, um darin das Spaltrohr unterbringen zu können. Dies ist der magnetischen Kopplung zwischen Stator und Rotor und damit dem

Wirkungsgrad abträglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine, einen Elektromotor, ein Spaltrohr und ein Herstellungsverfahren hierfür anzugeben, die einen guten

Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine bei effektive Statorkühlung einschließlich der Wicklungsköpfe erlauben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Angegeben wird eine rotierende elektrische Maschine mit einem Rotor und einem vom Rotor in radialer Richtung über einen Spalt hinweg beabstandeten Stator mit einer oder mehreren Statorwicklungen und Wicklungsköpfen an den axialen Enden des Stators. Im Spalt zwischen Stator und Rotor ist ein Rohr mit fluiddichter Wand eingefügt, das sich in axialer Richtung an mindestens einem Statorende in axialer Richtung über die Wicklungsköpfe des Stators hinaus erstreckt. Mit einem die Wicklungsköpfe in axialer Richtung überdeckenden Deckel, der Rohrwand und weiteren Bereichen (etwa Gehäuseinnenwand, Statoroberfläche) wird ein fluiddichtes Volumen gebildet, in dem die Wicklungsköpfe liegen.

Das Volumen kann eine Ringkammer sein, die sich in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine bezüglich ihrer Drehachse betrachtet erstreckt. Sie wird von einem Kühlfluid gefüllt, das umgewälzt wird und so Wärme abführt. Das Rohr ist mindestens bereichsweise mit Ferritmaterial gebildet. Das Rohr zusammen mit dem Deckel und gegebenenfalls weiteren Wandlungskomponenten (etwa Gehäusewand, Statormaterial) bildet ein flüssigkeitskühlbares Volumen, in dem die Wicklungsköpfe liegen, so dass diese von Kühlfluid umspült und so effizient gekühlt werden können. Der Einbau des Rohrs in den Spalt zwischen Stator und Rotor führt zunächst zu einer Erhöhung der Spaltbreite zwischen den beiden. Da das Rohr aber mit Ferritmaterial gebildet ist, kann das Spaltvolumen mit magnetisch permeablem Material gefüllt werden, so dass der Nachteil des breiteren Spalts mindestens teilweise ausgeglichen ist.

Das Ferritmaterial hat eine relative magnetische Permeabilität pr größer als 1. Sie kann größer 5 oder größer 10 oder größer 20 oder größer 50 sein. Man erhält auf diese Weise eine rotierende elektrische Maschine, in der die Wicklungsköpfe gut gekühlt sind, ohne dass Nachteile wie Schleppmoment durch Öl im Gehäuse oder deutlich verringerter Wirkungsgrad wegen großer Spaltbreite vorliegen.

Das Ferritmaterial ist durch geeignete Kennwerte definiert. Es kann Flämatit (Fe203) aufweisen und/oder Magnetit (Fe304), gegebenenfalls in geeigneter Mischung Koerzitivkraft und Remanenz der Hysteresekurve liegen in definierten Bereichen. Die elektrische Leitfähigkeit ist gering und liegt auch in definierten Bereichen. Die

Wanddicke des Rohrs kann mindestens im Spalt im Bereich zwischen einem halben Millimeter und 5 mm liegen, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 ,5 mm und 3 mm, weiter vorzugsweise 2 mm ± 10 % oder ± 20 %. Vorzugsweise sind die Wicklungsköpfe an beiden Enden des Stators von

entsprechenden Kammern umfangen, so dass die Wicklungsköpfe an beiden Enden fluidgekühlt werden können. Durch Leitungen im Stator oder Nuten in der

Gehäusewand können die Kammern an den beiden Statorenden (in axialer Richtung) fluidverbunden sein. Eine Kammer ist weiterhin mit einem Kühlmitteleinlass und/oder einem Kühlmittelauslass verbunden, an den/die geeignete Leitungen zur geeigneten Weiterleitung des Kühlfluids angeschlossen werden können.

Abhängig vom Kühlfluid kann die Fluidleitung zu einem Wärmetauscher führen. Es kann ein Wärmetauscher einer anderen Komponente mit gleichem Kühlfluid oder ein eigener Wärmetauscher sein. Für einen Inverter kann ein Wärmetauscher für eine Wasserkühlung vorgesehen sein.

Wenn das Kühlfluid der elektrischen Maschine ebenfalls Wasser ist bzw. aufweist, kann die elektrische Maschine an den Wärmetauscher des Inverters angeschlossen werden.

Es kann aber auch ein eigener Wärmetauscher vorgesehen sein, insbesondere dann, wenn nicht schon ein Wärmetauscher vorhanden ist. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Kühlfluid Öl ist oder aufweist. Die Kühlfluidkammern, die die Wicklungsköpfe hineinragen, sind dabei vorzugsweise Ringkammern, die sich in Umfangsrichtung des Stators erstrecken.

Die Wicklungsköpfe sind letztlich Leiterschleifen elektrischer Leiter, die selbsttragend in das Kammervolumen ragen und dann vom Kühlfluid in der Kammer umspült werden. Das Spaltrohr kann durch geeignete Herstellungsverfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann als Ausgangsstoff Ferrit in pulverförmiger Aufbereitung verwendet und weiterverarbeitet werden.

Die Weiterverarbeitung kann beispielsweise die Herstellung eines rohrförmigen Körpers durch Sintern umfassen. Üblicherweise liegen bezüglich der radialen Richtung bezogen auf die Drehachse der Maschine der Stator radial außen und der Rotor radial innen. Die die Kammer abschließenden Deckel erstrecken sich dann vom Rohr nach radial außen.

Die beschriebene Bauweise kann aber auch für Außenläufermotoren verwendet werden, bei denen der Stator radial innen liegt. Dann liegen auch die Wicklungsköpfe radial innen, und die Deckel erstrecken sich vom Spaltrohr aus nach radial innen gegebenenfalls bis zur (virtuellen) Drehachse hin, um den Stator einzuschließen und so die Kammer für die Führung des Kühlfluids um die Wicklungsköpfe herum zu bilden.

In jedem Fall verbleibt ein freier Spalt zwischen Rohrwand und Rotor, so dass sich letzterer berührungsfrei gegenüber ersterer verdrehen kann. Die Spaltbreite wird entsprechend üblichen Kriterien gewählt und kann zwischen 0,4 mm und 1 ,5 mm liegen, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm. Die magnetischen Eigenschaften des Ferrits können isotrop oder anisotrop sein.

Soweit sie anisotrop sind, ist es wünschenswert, dass die magnetische Permeabilität in radialer Richtung größer ist als in eine Richtung quer dazu, und insbesondere in radialer Richtung am größten ist (mindestens 90 % oder 95 % des Maximalwerts).

Die Deckel können aus anderen Materialien als das Spaltrohr hergestellt sein oder aus dem gleichen Material.

Sie können Thermoplasten oder Duroplasten als Material aufweisen. In einer Ausführungsform wird das Ferritmaterial mit einem Trägermaterial vermischt, beispielsweise mit einem Thermoplasten. Dies kann jeweils granuliert bei Raumtemperatur geschehen und/oder im erweichten bzw. flüssigen Zustand des Thermoplasten. Das Ausgangsmaterial für die Formung des Spaltrohrs kann ein homogenes Gemisch aus Ferritmaterial und Trägermaterial (Thermoplast) sein, die anfänglich jeweils für sich pulverförmig und/oder granuliert vorliegen können. Dieses Gemisch ist extrudierbar oder gießbar, so dass das Spaltrohr durch Extrudieren oder Spritzgießen hergestellt werden kann. Es können dann beispielsweise beim Gießen komplexere Formen des Spaltrohrs hergestellt werden.

Beispielsweise können schon einer der Deckel an das Spaltrohr unmittelbar angegossen und weitere strukturelle Merkmale angeformt sein bzw. werden

(Verfahren).

Angegeben wird deshalb auch ausdrücklich ein Verfahren zur Fierstellung eines Spaltrohrs für eine rotierende elektrische Maschine. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines körnigen oder pulverförmigen Ferritmaterials, insbesondere eines Gemisches aus einem pulverförmigen Ferritmaterial und einem Kunststoffmaterial, Temperieren des Gemisches auf eine Verarbeitungstemperatur und Fierstellen eines Spaltrohrs durch Extrudieren oder Spritzgießen des Gemisches.

Das Kunststoffmaterial kann ein Thermoplast sein, aber auch beispielsweise ein Zweikomponenten-Duroplast. Das Ferritmaterial kann aber auch ohne Zuschlagstoff in die gewünschte Form gebracht werden, etwa in Form gesintert werden. Beim Fierstellen des Spaltrohrs können weitere Strukturmerkmale an das Rohr angeformt werden, z. B. einer der genannten Deckel, vorzugsweise an einem

Rohrende und vorzugsweise um den Rohrumfang umlaufend und sich in radialer Richtung erstreckend, und/oder Fluidführungselemente.

Auch ein Spaltrohr selbst bestehend aus einem Ferrit aufweisenden Material wird angegeben.

Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine rotierende elektrische Maschine in einer die Drehachse enthaltenden Schnittebene, Fig. 2 schematisch eine denkbare Kühlleitungsstruktur, Fig. 3 ein Spaltrohr in besonderer Ausführungsform mit weiteren Komponenten,

Fig. 4 eine Bauform der Maschine in einer Ausführungsform, und

Fig. 5 schematisch einen Teilschnitt durch eine rotierende elektrische Maschine mit Schnittebene senkrecht zur Drehachse. Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Schnitt durch eine rotierende elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor. Die Drehachse 19 der elektrischen Maschine liegt in der Schnittebene. Gezeigt ist nur die obere Hälfte des Aufbaus. Die Hälfte unter der Drehachse 19 kann im Wesentlichen spiegelsymmetrisch dazu sein und ist deshalb nicht dargestellt. 11 ist der Rotor des Motors, der um Welle 11 a drehbar etwa von Kugellagern 11 b gelagert ist. 19 ist die Drehachse des Rotors. 12 ist der Stator der Maschine. Er liegt in der gezeigten Ausführungsform radial außerhalb des Rotors 11.

Regelmäßig sind Statoren aus einerseits Eisenkomponenten und andererseits Wicklungsleitungen aufgebaut, was in Fig. 1 nicht detailliert gezeigt, aber in Figur 5 angedeutet ist. Die Eisenkomponenten sind häufig Blechpakete, die übereinander gestapelt sind (Stapelrichtung in Richtung der Achse 19). Die Blechpakete weisen Nuten oder Löcher auf, in die Wicklungsleiter für Wicklungen des Elektromotors eingelegt werden können. Die Leiter durchlaufen den Stator in axialer Richtung und treten an den axialen Enden aus dem Stator aus. Die axialen Enden des Stators 12 sind mit 12x und 12y gekennzeichnet. Außerhalb des Stators 12 werden die aus dem Stator 12 herausragenden Leiterenden mit freien Leiterenden anderer Leiter des Stators verbunden und bilden so Wicklungsköpfe 12a und 12b, die als regelmäßig angeordnete frei tragende Drahtschleifen an den beiden Enden 12x und 12y des Stators 12 liegen. Diese Schleifen können in hoher Zahl über den Umfang des Stators verteilt an beiden Enden 12x, 12y des Stators 12 vorhanden sein und können jeweils für sich in Umfangsrichtung auch länglich ausgebildet sein. Sie können elektrisch isoliert sein oder blank sein. Üblicherweise liegt der Stator 12 an der Innenwand 13a eines Gehäuses 13 an bzw. ist daran starr befestigt. Mit 14 ist das Spaltrohr bezeichnet, das im Spalt zwischen Stator 12 und Rotor 11 liegt. Regelmäßig wird es den Spalt in Umfangsrichtung vollständig ausfüllen, also rohrförmig ausgebildet sein. In vielen Ausführungsformen wird es auch in axialer Richtung den Spalt vollständig durchsetzen und an beiden axialen Enden (linksrechts in Fig. 1 ) in jeweils axialer Richtung aus dem Spalt herausragen und die

Wicklungsköpfe 12a und 12b überragen. Dabei muss nicht davon ausgegangen werden, dass über die axiale Länge

betrachtet ein konstanter Querschnitt vorliegt. Der Querschnitt kann gegebenenfalls komplexen Formgebungen des Stators bzw. des Rotors folgen. Gleichwohl wird eine häufige Formgebung die sein, dass mindestens der im Spalt liegende Teil des Spaltrohrs 14 ein kreiszylindrisches Rohr konstanten Durchmessers und womöglich auch konstanter Wanddicke ist.

Mit 18 ist der verbleibende Restspalt zwischen Stator 12 bzw. Spaltrohr 14 und Rotor 11 bezeichnet. Die Dicke ist entsprechend konstruktiven 5 und sonstigen

Notwendigkeiten gewählt. Sie erstreckt sich in vertikaler Richtung der

Zeichnungsebene. Sie kann die Größenordnung eines herkömmlichen Spalts einer Maschine ohne Spaltrohr haben. Um die Wicklungsköpfe 12a und 12b mit Kühlfluid umströmen zu können, müssen fluiddichte Kammern 16a und 16b geschaffen werden. Es sind deshalb zusätzlich zum Spaltrohr 14 noch Deckel 15a, 15b vorgesehen, die sich in radialer Richtung erstrecken, und weitere Wandungen. 15

In der Ausführungsform der Fig. 1 laufen die Deckel 15a und 15b radial nach außen und liegen fluiddicht an der Innenwand 13a des Gehäuses 13 an. Es entstehen so fluiddichte Kammern 16a und 16b, die vom Spaltrohr, dem jeweiligen Deckel 15 und dem jeweiligen Wandbereich 13a des Gehäuses fluiddicht gebildet werden. Es handelt sich um Ringkammern, die axial um den Innenumfang des Gehäuses 13 umlaufen. In axialer Richtung kann eine Ringkammer auf die gegenüber liegende Kammer zu fluiddicht ausgebildet sein, muss es aber nicht, solange die gegenüber liegende Kammer einen fluiddichten Abschluss bildet. Soweit in dieser Beschreibung eine radiale Erstreckung angesprochen ist, kann dies bedeuten, dass die

Erstreckungsrichtung auch eine, und vorzugsweise eine überwiegende, radiale Komponente hat oder tatsächlich in strikt radialer Richtung senkrecht zur axialen Richtung) oder relativ dazu 90° ± 20° oder ± 5° oder ± 2° läuft. Soweit eine axiale Erstreckung angesprochen ist, bedeutet dies, dass die Richtung auch eine axiale Komponente hat, die vorzugsweise größer als die radiale Komponente ist oder tatsächlich rein axial (achsparallel zur Achse 19) oder relativ dazu 0° ± 20° oder ± 5° oder ± 2° sein kann.

Die Anbringung der Deckel 15 am Spaltrohr 14 kann in geeigneter Weise erfolgen. Fig. 1 zeigt links eine Ausführungsform, bei der der Deckel 15a unmittelbar am Spaltrohr 14 angeformt ist und dann aus dem gleichen Material wie das Spaltrohr gebildet sein kann. Die Anbringung des Deckels an der Innenwand 13a des

Gehäuses 13 kann durch geeignete Befestigungs- und Dichteinrichtungen 17 erfolgen.

Es können hier Dichtungsringe vorgesehen sein oder andere Dichtmaterialien sowie Klebstoffe oder ähnliches. Fig. 1 zeigt am rechten Ende des Spaltrohrs 14 einen separat ausgebildeten Deckel 15b der ringförmig um den Innenumfang des

Gehäuses 13 umläuft und radial innen zum Spaltrohr hin und radial außen zur Innenwand 13b des Gehäuses 13 hin befestigt und abgedichtet ist. Geeignete Befestigungs- und Dichteinrichtungen 17 sind auch an diesen Stellen vorgesehen. Denkbar ist es, dass jede Ringkammer 16a, 16b separat mit Kühlfluid versorgt und entsorgt wird und deshalb jeweils einen eigenen Zulauf und Ablauf aufweist.

Es ist aber auch möglich, die Ringkammern 16a und 16b an den beiden axialen Enden 12x und 12y des Stators 12 mit einer oder mehreren Fluidleitungen, die sich in axialer Richtung erstrecken, zu verbinden. Hier sind mehrere Möglichkeiten denkbar, die kombiniert miteinander in Fig. 5 dargestellt sind. Fig. 5 zeigt den Querschnitt durch den Stator 12 und benachbarte Bereiche in Schnittrichtung senkrecht zur Drehachse, also beispielsweise von links nach rechts in Fig. 1. Es können im Stator 12 selbst Fluidleitungen 12c vorgesehen sein, die beispielsweise durch fluchtende Ausstanzungen in den Blechen der Blechpackung des Stators 12 gebildet werden. Denkbar ist es aber auch, Nuten 30 oder Einfräsungen 52 in der Wand 13 der Maschinengehäuse vorzusehen, die 11 dann jeweils in die Ringkammern münden. Genauso ist es möglich, Nuten 53 in der radial innenliegenden Statoroberfläche vorzusehen, die dann zusammen mit dem Spaltrohr 14 Kanäle 53 bilden. Schematisch angedeutet mit schwarzen Punkten sind in Fig. 5 auch die elektrischen Leitungen 51 der Statorwicklung, die an den Statorenden in axialer Richtung aus dem Stator herausragen und zu den Wicklungsköpfen verbunden werden. Mit einer oder mehreren der gezeigten Nuten oder Ausstanzungen 12c, 52 oder 53 können axial laufende Verbindungsleitungen für die radialen Ringkammern 16a, 16b geschaffen werden. Es kann sich dann insgesamt eine Kühlstruktur für den Stator wie in Fig. 2

schematisch gezeigt ergeben. Mit 16a und 16b sind die umlaufenden Ringkammern symbolisiert und mit 12c die axial verbindenden Verbindungsleitungen, die aber auch durch Nuten 52, 53 gebildet sein können. Es kann dann beispielsweise eine der Ringkammern 16a einen Zulauf 16c für Kühlfluid haben und die andere Ringkammer 16b einen Ablauf 16d.

Genauso ist es möglich (in Fig. 2 nicht schematisch gezeigt), an einer der

Ringleitungen 16a oder 16b sowohl Zulauf 16c als auch Ablauf 16d vorzusehen und zwischen beiden die Fluidleitung zu unterbrechen, beispielsweise durch geeignete Führungselemente, die beispielsweise an einem der Deckel 15 angeformt sein können, so dass Fluid vom Zulauf 16c über einen ersten Teil der ersten Ringkammer 16a und einen Teil der axial verbindenden Fluidleitungen 12c, 52, 53 in die zweite Ringkammer 16b gezwungen wird und von dort über einen anderen Teil der axialen Fluidleitungen 12c, 52, 534 zurück in den zweiten Teil der ersten Ringkammer 16a gelangt und von dort abgeleitet wird. Allgemein kann es wünschenswert sein, in einer Kammer 16a, 16b das Kühlfluid zu leiten, etwa um Durchmischungen zu fördern oder Temperaturen zu vereinheitlichen. Es können deshalb in der Karner 16a, 16b nicht gezeigte Fluidleitelemente 30 vorgesehen sein. Sie können in den Fluidfluss ragen und diesen lenken oder können ihn, wie oben beschrieben, gezielt unterbrechen.

Diese Fluidleitelemente können eigene Formkörper sein, die in die Kammer gebracht und dort befestigt werden. Oder sie können an anderen Komponenten angeformt sein, etwa am den Stator überragenden Teil des Spaltrohrs 14 und/oder an einem Deckel 15 und/oder an der Gehäuseinnenwand 13a, 13b. Allgemein bildet dann die gezeigte Kühlstruktur mit Ringkammern und längsverbindenden Fluidleitungen 12c, 52, 53 eine Kühlstruktur nicht nur für die Wicklungsköpfe 12a, 12b, sondern für den gesamten Stator 12.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines separat gefertigten Spaltrohrs 14. Es wird angenommen, dass am einen Ende 14a des Spaltrohrs schon ein sich in radialer Richtung erstreckender Deckel 15a angeformt ist, was also im Wesentlichen dem Schnitt der Fig. 1 entsprechen kann. Der Außendurchmesser des Rohrsteils 14 entspricht dem Innendurchmesser des Stators 12. Das Spaltrohr 14 gegebenenfalls mit angegossenem Deckel und/oder weiteren strukturellen Merkmalen, etwa die genannten Fluidleitelemente, wird separat gefertigt und dann in der gezeigten Ausführungsform von links nach rechts in den Stator eingeführt.

Am anderen Ende 14b des Spaltrohrs 14 kann der zweite Deckel 15b separat angebracht werden. Auch hier können sowohl zum Rohr 14 hin als auch zur Wand 13 der Maschine hin geeignete Dichteinrichtungen 17 vorgesehen sein, die auch Befestigungseinrichtungen einschließen. Das Befestigen kann mittels Kleben oder ähnlichem erfolgen. Das Abdichten kann die Verwendung von Dichtringen oder ähnlichem umfassen.

Ein Spaltrohr kann aber auch lediglich ein kreiszylindrisches Rohr sein. Es kann konstanten Durchmesser (innen wie außen) aufweisen. Die Deckel können dann an beiden Enden wie in Fig. 3 rechts schematisch gezeigt angebracht werden. 13 Eine Möglichkeit der Fierstellung des Spaltrohrs ist es, Ferritmaterial und insbesondere Ferritpulver geeigneter Materialkonstanten zu verwenden. Das Ferritmaterial soll geringe elektrische Leitfähigkeit haben, eine hohe magnetische Permeabilität und jeweils geringe Remanenz und Koerzitivfeldstärke. Vorzugsweise ist das Ferritmaterial isotrop, also in seinen magnetischen und elektrischen Eigenschaften richtungsunabhängig. Wenn es anisotrop ist, ist vorzuziehen, dass die Permeabilität in radialer Richtung größer als in axialer Richtung ist und vorzugsweise das Maximum und nahe dem Maximum (95 % oder mehr des Maximums) beträgt. Dies erfordert eine Veränderung der absoluten Richtung der gerichteten Eigenschaften des Materials über den Umfang verteilt. Ferritmaterial kann als Pulver vorbereitet und dann beispielsweise gesintert oder sonst wie in eine stabile Form gebracht werden.

Es ist auch möglich, das Ferritmaterial mit einem Bindemittel zu vermischen und dann in geeigneter Weise mit Hilfe der Bindemittel den gewünschten Formkörper herzustellen. Eine Möglichkeit ist es, eine Mischung aus Ferritmaterial und einem Trägermaterial, etwa einem Thermoplasten, herzustellen. Beispielsweise können die Grundstoffe pulverförmig bzw. granuliert erst kalt grob miteinander vermengt und dann über die Verflüssigungstemperatur des Thermoplasten hinaus erwärmt werden, so dass letzterer mehr oder minder flüssig wird. Die Bestandteile Ferritmaterial und Thermoplastmaterial können dann verrührt werden, bis eine homogene Mischung vorliegt. Das Material kann dann zunächst wieder erkalten, falls logistisch notwendig oder sinnvoll. Die warme Vermengung kann aber auch unmittelbar in oder vor der weiterverarbeitenden Maschine erfolgen, also etwa durch eine vorzugsweise geregelt beheizte Rühreinrichtung am oder vor dem Materialeinlass einer Spritzgussmaschine oder eines Extruders. Neben Ferritmaterial und Trägerstoff können weitere

Zuschlagstoffe vorgesehen sein.

Bei der eigentlichen Fertigung des Spaltrohrs kann das Material auf eine Temperatur gebracht werden, bei der die Mischung hinreichend verarbeitbar ist, also z. B.

dickflüssig/zähflüssig bzw. plastisch verformbar ist. Die Verarbeitung kann ein

Gießen oder ein Extrudieren umfassen. Das Gießen kann das Spritzgießen in eine geeignete Flohlform umfassen. Das Extrudieren kann das Fierausdrücken des

Materials aus einer geeignet geformten Ringöffnung umfassen, wobei es anfänglich stromabwärts der Öffnung noch beispielsweise in einen Flansch bzw. Deckel 15a verformt/aufgeweitet/verengt werden kann. Auf diese Weise entsteht ein

vorgefertigtes Formteil, wie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt, das separate

Handelsware sein kann. Insoweit ist auch ein Spaltrohr aus einem Ferrit

aufweisenden Material Gegenstand der Erfindung. Das Material kann ein

Materialgemisch mit Ferritmaterial und Kunststoff material, insbesondere

Thermoplastmaterial sein.

Das Spaltrohr kann weitere angeformte strukturelle Merkmale aufweisen,

beispielsweise einen angeformten Deckel, einen Anschlag oder ähnliches. 5 Der

Deckel 15 einer der Kammern 16 kann aus einem anderen Material als das Spaltrohr 14 gefertigt sein. Er kann beispielsweise aus einem Thermoplasten gefertigt sein oder aus einem metallischen Material oder einem Duroplasten oder ähnlichem.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein in radialer Richtung verlaufender Deckel 15a ein strukturelles Merkmal ist, das an das Gehäuse 13 der Maschine angeformt ist. Es kann sich um eine separat angeformte, sich von der

Gehäuseinnenwand 13a nach radial innen erstreckende Ringwand handeln, die um den Umfang der Innenwand 13a des Gehäuses 13 umläuft. Das Spaltrohr 14 kann in geeigneter Weise mit Einrichtungen 17 fest und fluiddicht an die radial

innenliegende Kante dieses so am Gehäuseinnenumfang angeformten Deckels 15a angebracht werden. Durch die vorgesehenen Materialkonstanten des Ferritmaterials ist sichergestellt, dass der Nachteil, der sich durch die Vergrößerung des Brutto- Spalts zwischen Stator 12 und Rotor 11 ergibt, mit der durch das Ferritmaterial erhöhten Permeabilität der Volumenfüllung im Spalt reduziert ist. Der Fluideinlass für eine Ringkammer kann im Bereich der Gehäusewand 13 liegen oder im Bereich des Deckels oder im Bereich des Spaltrohrs. Gleiches gilt für den Auslass. Einlass und Auslass können geeignete Kupplungsvorrichtungen haben, um Leitungen für die Kühlfluidleitung anbringen zu können.

Bisher wurde ein innenliegender Rotor, als außenliegender Stator beschrieben. Die Erfindung ist auch für Außenläuferrotoren anwendbar, also für radial innenliegende Statoren. Das Spaltrohr 14 liegt dann radial innen am stationären Stator an und hat nach radial außen einen Spalt zum sich außen drehenden Rotor. Die Deckel 15 erstrecken sich jenseits der Statorenden vom Spaltrohr nach radial innen und können bis zur Drehachse 19 laufen und so am einen axialen Ende einen Verschluss aus sich selbst heraus bilden.

Da am anderen axialen Ende der Stator gehalten sein muss, kann hier das Spaltrohr in eine flanschartige Struktur übergehen, die sich auch nach radial außen erstrecken kann und geeignet fluid dicht an sonstigen Strukturen befestigt ist. Denkbar ist auch, dass lediglich an einem axialen Ende (etwa 12x) die Wicklungsköpfe 12a in der gezeigten Weise mittels einer Kammer bzw. Ringkammer 16a gekühlt werden. Das Spaltrohr kann dann so dimensioniert sein, dass es nur an diesem axialen Ende über den Stator hinausragt und wie gezeigt (etwa Fig. 1 linke Hälfte) die Ringkammer 16a bildet. Demgegenüber kann das Spaltrohr 14 im Spalt 18 auslaufen und danach gegebenenfalls Rotor oder Stator das dort freie Volumen einnehmen.

Das Ferritmaterial kann Hämatit (Fe203) aufweisen und/oder Magnetit (Fe304) jeweils einzeln oder als Hauptkomponente oder in geeignetem Mischungsverhältnis. Die Gesamteigenschaften sind in magnetischer Hinsicht weichmagnetisch, wie durch die oben angegebenen Parameter zum Ausdruck kommend. Die mit dem

beschriebenen Spaltrohr ausgestattete Maschine kann als Elektroantrieb eines Fahrzeugs verwendet werden. Die Kühlung gerade der Wicklungsköpfe ist bei ihr auch bei hoher Last oder höchster Spitzenlast gut, und die Wirkungsgradeinbußen bekannter Spaltrohrmotoren sind durch das ferritische Spaltrohr vermieden, so dass der Einsatz solcher Motoren für elektrisch angetriebene Fahrzeuge in Betracht kommt.

Merkmale in dieser Beschreibung sollen auch dann als miteinander kombinierbar angesehen werden, wenn ihre Kombination nicht ausdrücklich beschrieben ist, soweit sie technisch möglich ist. Merkmale, die in einem Kontext, Patentanspruch, einer Figur oder einer Ausführungsform beschrieben sind, sollen auch als daraus heraus lösbar und mit einem/einer anderen, auch breiter oder enger gefassten Patentanspruch, Figur, Kontext oder Ausführungsform kombinierbar verstanden werden, soweit die Kombination technisch möglich ist.

Darlegungen von Verfahrensschritten sollen auch als Darlegung von diese

Verfahrensschritte implementierenden Komponenten verstanden werden, und umgekehrt.

Bezugszeichenliste

10 elektrische Maschine

11 Rotor

12 Stator

12a, 12b Wicklungsköpfe

12c Fluidführung

12x, 12y axiale Enden des Stators

13 Gehäuse

13a, 13b Gehäuseinnenwand

14 Spaltrohr

15a, 15b Deckel

16a, 16b Kammer

16c Kühlmittelzulauf

16d Kühlmittelablauf

17 Dichtmittel und Befestigungsmittel

18 Spalt

19 Drehachse

51 Statorleiter

52 Nut in Gehäusewand

53 Nut im Statormaterial

Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Maschine (10) mit einem um eine Achse drehbaren Rotor (11 ), einem vom Rotor (11 ) in radialer Richtung durch einen Spalt (17) beabstandeten Stator (12) mit einer oder mehreren Statorwicklungen und Wicklungsköpfen (12a, 12b) an einem oder beiden axialen Enden (12x, 12y) des Stators (12), im Spalt (17) einem Rohr (14) mit fluiddichter Wand, die sich in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erstreckt und eine Wanddicke in radialer Richtung bezüglich der Drehachse hat, wobei das Rohr (14) sich an mindestens einem Statorende (12x) in axialer Richtung über die Wicklungsköpfe (12a) des Stators (12) hinaus erstreckt, mindestens einem an dem mindestens einen axialen Enden des Rohrs (17) angebrachten, sich radial und in Umfangsrichtung erstreckenden und die Wicklungsköpfe (12a) des mindestens einen axialen Endes (12x) des Stators (12) überdeckenden Deckel (15a) zur Bildung einer mit dem Rohr (14) und dem Deckel (15a) geformten fluiddichten Kühlfluidkammer (16a), einem Kühlfluideinlass und/oder einem Kühlfluidauslass für die

Kühlfluidkammer (16a), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Bereiche des Rohrs (14) mit einem Ferritmaterial gebildet sind.

2. Maschine nach Anspruch 1 , bei der das Rohr (14) sich an beiden Statorenden

(12x, 12y) in axialer Richtung über die Wicklungsköpfe (12a, 12b) des Stators (12) hinaus erstreckt, und wobei die Maschine zwei sich radial erstreckende und die Wicklungsköpfe (12a, 12b) an beiden axialen Enden (12x, 12y) des Stators (12) überdeckende Deckel (15a, 15b) an den beiden axialen Enden des Rohrs (14) aufweist.

3. Maschine nach Anspruch 2, bei der im Stator (12) ein oder mehrere sich in axialer Richtung erstreckende Kühlfluidkanäle vorgesehen sind, die mit den Kammern (16a, 16b) an den axialen Enden (12x, 12y) des Stators (12) in Fluidverbindung stehen, wobei die Kühlkanäle durch Ausstanzungen in Blechpaketen des Stators gebildet sein können.

4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Gehäuse auf seiner Innenoberfläche eine oder mehrere sich in axialer Richtung erstreckende

Kühlfluidnuten aufweist, die mit den Kammern (16a, 16b) an den axialen Enden (12x, 12y) des Stators (12) in Fluidverbindung stehen. 6. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Gehäuse (13), an dessen Innenwand der Stator (12) angeordnet ist, wobei ein Teil (13a) der Innenwand eine Wand der Kammer (16a) bildet und der Deckel (15a) am Wandteil (13a) fluiddicht angebracht ist.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Stator radial innerhalb des Rotors liegt und der Deckel sich vom Rohr radial einwärts erstreckt.

6. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer oder mehreren

Kühlfluidführungen in der oder den Kammern (16a, 16b), die an einem Deckel (15a, 15b) angeformt sein können.

7. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein Deckel (15) durch eine sich radial erstreckende Gehäusewand oder durch ein am Gehäuseinneren angeformtes, sich in radialer Richtung erstreckendes Flächenelement gebildet ist.

8. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, die für die Führung von Wasser als Kühlfluid ausgelegt ist und für den Anschluss an einen vorhandenen

Wärmetauscher für Kühlwasser ausgelegt sein kann.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die für die Führung von Öl als Kühlfluid ausgelegt ist.

10. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Rohr im Bereich des Spaltes eine Wanddicke zwischen 1 mm und 4 mm aufweist, vorzugsweise zwischen 1 ,5 mm und 3 mm, und bei der der verbleibende Spalt (17) eine Breite zwischen 0,4 mm und 1 ,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm haben kann.

11. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Plastoferritmaterial magnetisch isotrop ist oder magnetisch anisotrop in der Weise ist, dass die relative magnetische Permeabilität in Richtung der Spaltdicke höher ist als in Richtung quer zur Richtung der Spaltdicke.

12. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Deckel (15a) aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist, vorzugsweise einen Thermoplasten oder einen Duroplasten aufweist.

13. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Ferritmaterial ein Plastoferritmaterial ist oder aufweist, dass eine Mischung mit Ferritmaterial, vorzugsweise Ferritpulver, und einem Thermoplasten ist.

14. Maschine nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Rohr (14) ein Gussteil ist, an das der Deckel (15a) einstückig angeformt sein kann.

15. Maschine nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Rohr (14) ein extrudiertes Teil ist.

16. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, die ein Elektromotor ist.

17. Fahrzeug mit Elektroantrieb, der einen Spaltrohrmotor, insbesondere eine elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.

18. Spaltrohr für eine elektrische Maschine, das aus einem Ferrit aufweisenden Material hergestellt ist.

19. Spaltrohr nach Anspruch 18, das ein aus Ferritpulver gesintertes Formteil ist.

20. Spaltrohr nach Anspruch 18, bei der das Material ein Gemisch aus Ferritmaterial und einem Trägermaterial ist, das ein Thermoplast sein kann.

21. Spaltrohr nach Anspruch 20, das ein extrudiertes oder spritzgegossenes

Formteil ist.

22. Spaltrohr nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , mit einem oder mehreren angeformten Strukturen, insbesondere einem Deckel und/oder einem

Fluidleitelement.

23. Verfahren zur Fierstellung eines Spaltrohrs, mit den Schritten.

Bereitstellen eines körnigen oder pulverisierten Ferritmaterials, und

stabiles Formen des Spaltrohrs mit dem Ferritmaterial.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem das Formen einen Sintervorgang aufweist.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das Ferritmaterial mit einem

Trägermaterial vermischt und zusammen mit dem Trägermaterial geformt wird, wobei das Formen Spritzgießen oder Extrudieren umfassen kann.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 25, bei dem beim Formen weitere strukturelle Merkmale an das Spaltrohr angeformt werden.