WO2022033620A1 - Elektromotor mit kühleinrichtung zur aktiven kühlung der wicklungsabschnitte innerhalb von nutbereichen eines grundkörpers - Google Patents

Elektromotor mit kühleinrichtung zur aktiven kühlung der wicklungsabschnitte innerhalb von nutbereichen eines grundkörpers Download PDF

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WO2022033620A1
WO2022033620A1 PCT/DE2021/100548 DE2021100548W WO2022033620A1 WO 2022033620 A1 WO2022033620 A1 WO 2022033620A1 DE 2021100548 W DE2021100548 W DE 2021100548W WO 2022033620 A1 WO2022033620 A1 WO 2022033620A1
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electric motor
sections
stator
line section
winding
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PCT/DE2021/100548
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Michael Marsetz
Fabian Oehler
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/48—Fastening of windings on the stator or rotor structure in slots
    • H02K3/487—Slot-closing devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil

Definitions

  • Electric motor with cooling device for active cooling of the winding sections within the groove areas of a base body
  • the invention relates to an electric motor for a motor vehicle drive, having a stator and a rotor which is mounted such that it can rotate relative to the stator.
  • an electric motor for a motor vehicle drive is equipped with a stator and a rotor which is mounted such that it can rotate relative to the stator, the stator or the rotor having a base body and a coil arrangement accommodated in the base body having a plurality of winding sections, which winding sections are arranged in a plurality distributed in the circumferential direction, groove areas penetrating the base body axially, and with a cooling device, which cooling device has a line section for each groove area protruding axially into this groove area, the various line sections being connected to a common distribution pipe on one axial side of the base body.
  • a cooling device is used in an electric motor, which enables the direct introduction of cooling fluid into the areas of the electric motor that heat up relatively strongly, in order to enable efficient heat dissipation from the interior of the components of the electric motor.
  • the respective line section is arranged radially inside the winding sections accommodated in the same slot area. This achieves a space-saving nesting of the line sections with the winding sections.
  • the respective line section has a plurality of openings which exit towards the winding sections and are arranged/distributed axially adjacent. As a result, a cooling fluid is also distributed uniformly over the entire length of the base body during operation.
  • the openings are designed as radial through-holes in the tubular line section or as nozzle-shaped/aperture-like openings. This results in an efficient distribution of the cooling fluid discharged through the line section.
  • the respective line section consists entirely of a plastic or is provided with a covering or coating made of plastic at least on its radial outside.
  • the line section can be arranged as close as possible to the winding sections without negatively influencing the magnetic field lines.
  • the distributor pipe is implemented in the form of an arc of a circle or completely circumferentially/annularly.
  • the ring-shaped design all line sections are pushed into the body as a whole, what the Assembly further simplified; the arcuate design enables the most uniform possible pressure distribution of the cooling fluid to the corresponding line sections.
  • the assembly is further simplified if the at least one distributor pipe is arranged towards an end face of a winding overhang of the coil arrangement. This simplifies the connection of the distribution pipe to the other components of the cooling device.
  • a cooling comb consisting of line sections and distributor pipe
  • the pipes/tubes (line sections) of the cooling comb are arranged axially in the grooves and preferably have holes or nozzles (openings) directed in the direction of the winding sections/winding wires.
  • the cooling comb can thus also be designed as a slot sealing wedge (closing wedge).
  • FIG. 1 shows a front view of a section of an electric motor according to a first exemplary embodiment, with two line sections of a cooling device arranged in a groove area of a base body being clearly visible,
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a stator equipped with the cooling device, as used in FIG. 1, a line section being shown in section in the longitudinal direction,
  • FIG. 3 shows a detailed view of the stator shown in section in FIG. 2 in the area of the line section pushed into the base body of the stator, with several radially emerging openings of the line section being clearly visible,
  • FIG. 4 shows a perspective view of an end region of the line section arranged axially inside the base body to illustrate an exit direction of a cooling fluid introduced through the line section
  • FIG. 5 shows a perspective view of the stator cut in the longitudinal direction according to FIG. 2, with which a distributor pipe connected to the respective line section can be seen in sections,
  • FIGS. 1 to 5 is used
  • 7 shows a longitudinal sectional view of the stator, similar to FIG. 2, with the line arrangement including the distributor pipe and line sections not yet being pushed axially into the groove areas of the base body
  • Fig. 8 is a top view of one shown in Figs. 1 to 7 used base body to illustrate exemplary molded groove areas, and
  • FIG. 9 shows a perspective view of a stator, cut in the transverse direction, of an electric motor designed according to a second exemplary embodiment, in which the line sections are also used as sealing wedges for the groove areas on a radial inner side.
  • an electric motor 1 designed according to a first exemplary embodiment, can be seen in its structure.
  • the electric motor 1 has an overall ring-shaped stator 2 and a rotor 3 accommodated such that it can rotate radially inside the stator 2 .
  • the electric motor 1 is preferably used as a drive machine in a motor vehicle drive train.
  • the electric motor 1 is therefore preferably used to drive a purely electrically or hybrid motor vehicle.
  • the stator 2 has a base body 4 in which a coil arrangement 5 is accommodated in the usual way.
  • the base body 4 is further preferably formed by a laminated core.
  • the stator 2 is also equipped with the cooling device 8 described in more detail below.
  • the rotor 3 is equipped with this cooling device 8 instead. It should therefore be pointed out that the details described below in relation to the stator 2 are applied to the rotor 3 in further exemplary embodiments.
  • the stator 2 is equipped with a base body 4 which is essentially ring-shaped. This base body 4 is composed of a laminated core, ie of several axially stacked sheet metal segments/individual sheets designed as identical parts.
  • the base body 4 has a plurality of groove regions 7 which are distributed in the circumferential direction and completely penetrate the base body 4 axially. These groove areas 7, which can be seen in more detail in FIG. 8, are open inward in the radial direction in the first exemplary embodiment. Viewed in cross section, these groove areas 7 have a longitudinal extension running in the radial direction.
  • the winding sections 6 are, for example, part of a wound wire or so-called plugged-in wire sections/pins.
  • the winding sections 6 are formed into a winding overhang 16 on a first axial side 10a of the base body 4 in order to be electrically connected to a controller during operation.
  • the winding sections 6 also protrude from the base body 4 on a second axial side 10b opposite the first axial side 10a.
  • the groove areas 7 can also be designed in a different way than that shown in FIG. 8 .
  • 8 shows that the slot region 7 in this embodiment has a winding receiving space 19 which runs in the radial direction with a constant width and in which the winding sections 6 are arranged directly.
  • a line receiving space 20 adjoins radially inside the winding receiving space 19 .
  • the winding receiving space 19 merges into the line receiving space 20 via two shoulders 21 provided on both sides of the slot region 7 in the circumferential direction.
  • the shoulders 21 are preferably used for radial support of the winding sections 6 accommodated in the slot area 7.
  • the cooling device 8 has a plurality of line arrangements 23 shown in FIG. 6, which adjoin one another in the circumferential direction and consequently once again form an annular line system as a whole.
  • Each line arrangement 23 has an arc-shaped distributor pipe 11 , a plurality of line sections 9 distributed in the circumferential direction running away from a common axial side of the distributor pipe 11 .
  • the line arrangement 23 consequently has a comb shape.
  • each line section 9 has a plurality of axially spaced openings 12 in its area arranged axially in the base body 4, through which the cooling fluid supplied to the line section 9 exits into the line receiving space 20 and in the radial direction outwards to the winding sections 6 ( 4).
  • the line sections 9 of the respective line arrangement 23 are of identical design, so that they have the corresponding openings 12 at the same height in the axial direction. That area of the line section 9 which is arranged axially outside of the base body 4 is realized without openings. Furthermore, it can be seen that the distributor pipe 11, which is thus arranged axially outside of the base body 4 and axially offset to an end face 15 of the end winding 16, is further connected to a further radially inclined coupling line 24 during operation with a fluid supply (Figs. 5 and 6). .
  • the respective line section 9 is formed by a tube that consists at least partially of a plastic. In other versions, it is also possible in principle to produce the line section 9 entirely from plastic. In the present embodiment is the distribution pipe
  • FIG. 11 is encased towards its outer side 13 by a covering made of plastic, not shown for the sake of clarity (FIG. 4).
  • FIG. 9 another second exemplary embodiment of an electric motor 1 according to the invention can be seen, which is largely the same as the first exemplary embodiment in terms of structure and function. For the sake of brevity, only the differences from the first exemplary embodiment are described below.
  • the respective line section 9 is now designed directly as a sealing wedge 17 in order to directly close off the respective slot area 7 from a radial inside of the winding sections 6 .
  • the line section 9 is no longer implemented with a circular cross section as in the first exemplary embodiment, but rather with an essentially trapezoidal square cross section. It can also be seen that the formation of the tabs 22 is consequently dispensed with.
  • the respective line section 9 is directly ver stet in a form-fitting manner in a notch geometry 18 replacing the shoulders 21 on the peripheral edges of the groove area 7 .
  • FIG. 2 to 4 the form and the principle of the cooling is shown.
  • the tubes (line sections 9) guided axially into the groove have small holes or nozzles (openings 12) which are directed towards the winding wires. Depending on the pressure, more or less coolant can be sprayed onto the winding as required. In order to avoid short circuits or electrical flashovers and damage during assembly of the tubes on the wires and insulating paper 14, these tubes do not have a metallic surface.
  • Figures 5 to 7 show how the cooling comb (line arrangement 23) can be implemented.
  • the coolant is distributed to the individual tubes, which protrude into the grooves, via a circular tube, the coolant distributor (distributor tube 11).
  • This distribution pipe 11 can be supplied with coolant from a reservoir from the outside via one or more feeds, which can also be pipes or hoses.
  • the distribution pipe 11 can also be divided into several segments in order to keep the coolant supply even (FIG. 6). As seen in Figure 7, the entire or segmented comb is axially fed into the grooves. It is irrelevant for the principle of cooling from which side this happens.
  • This example is a stator 2 wound with hairpins, with the cooling comb being assembled from the so-called twist side.
  • the cooling comb can also be used in stators with wave windings or pull-in windings. Only the above-mentioned shape of the slot and the space available outside the stator 2 are decisive here.
  • cooling comb Another advantage of the cooling comb is that the winding is held in the radial position by the tubes lying in the slot. In the case of wave winding, the cooling comb could also serve as a slot sealing wedge (Fig. 9).

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor (1) für einen Kraftfahrzeugantrieb, mit einem Stator (2) und einem relativ zu dem Stator (2) verdrehbar gelagerten Rotor (3), wobei der Stator (2) oder der Rotor (3) einen Grundkörper (4) aufweist und eine in dem Grundkörper (4) aufgenommene Spulenanordnung (5) mehrere Wicklungsabschnitte (6) besitzt, welche Wicklungsabschnitte (6) in mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten, den Grundkörper (4) axial durchdringenden Nutbereichen (7) aufgenommen sind, und mit einer Kühleinrichtung (8), die je Nutbereich (7) einen axial in diesen Nutbereich (7) hineinragenden Leitungsabschnitt (9) aufweist, wobei die verschiedenen Leitungsabschnitte (9) zu einer axialen Seite (10a) des Grundkörpers (4) hin an ein gemeinsames Verteilerrohr (11) angeschlossen sind.

Description

Elektromotor mit Kühleinrichtunq zur aktiven Kühlung der Wicklunqsabschnitte innerhalb von Nutbereichen eines Grundkörpers
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor für einen Kraftfahrzeugantrieb, mit einem Stator und einem relativ zu dem Stator verdrehbar gelagerten Rotor.
Es besteht zunehmend der Bedarf an effizient gekühlten Elektromotoren, um deren Leistungsdichte weiter zu erhöhen. Es hat sich herausgestellt, dass ein hoher Anteil der im Betrieb in dem Elektromotor erzeugten Wärmeenergie in den im Stator oder Rotor aufgenommenen Wicklungsabschnitten entsteht und anstaut. Durch die Beschaffenheit des Stators / Rotors kann diese nicht direkt abgeführt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, dessen Bestandteile effizienter gekühlt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen.
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist ein Elektromotor für einen Kraftfahrzeugantrieb mit einem Stator und einem relativ zu dem Stator verdrehbar gelagerten Rotor ausgestattet, wobei der Stator oder der Rotor einen Grundkörper aufweist und eine in dem Grundkörper aufgenommene Spulenanordnung mehrere Wicklungsabschnitte besitzt, welche Wicklungsabschnitte in mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordneten, den Grundkörper axial durchdringenden Nutbereichen aufgenommen sind, und mit einer Kühleinrichtung, welche Kühleinrichtung je Nutbereich einen axial in diesen Nutbereich hineinragenden Leitungsabschnitt aufweist, wobei die verschiedenen Leitungsabschnitte zu einer axialen Seite des Grundkörpers hin an ein gemeinsames Verteilerrohr angeschlossen sind.
Dadurch wird eine Kühleinrichtung in einen Elektromotor eingesetzt, die eine möglichst direkte Einbringung von Kühlfluid in die sich relativ stark aufheizenden Bereiche des Elektromotors ermöglicht, um eine effiziente Wärmeabfuhr aus dem Inneren der Bestandteile des Elektromotors zu ermöglichen. Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Demnach ist es weiterhin von Vorteil, wenn der jeweilige Leitungsabschnitt radial innerhalb der in demselben Nutbereich aufgenommenen Wicklungsabschnitte angeordnet ist. Dadurch wird eine bauraumsparende Schachtelung der Leitungsabschnitte mit den Wicklungsabschnitten erzielt.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der jeweilige Leitungsabschnitt mehrere zu den Wicklungsabschnitten hin austretende, axial benachbart angeordnete / verteilte Öffnungen aufweist. Dadurch wird ein Kühlfluid im Betrieb auch über die gesamte Länge des Grundkörpers hinweg gleichmäßig verteilt.
Es hat sich zudem als zweckmäßig herausgestellt, wenn die Öffnungen als radiale Durchgangsbohrungen in dem rohrförmigen Leitungsabschnitt oder als düsenförmige / blendenartige Öffnungen ausgebildet sind. Dadurch ergibt sich eine effiziente Verteilung des durch den Leitungsabschnitt ausgetragenen Kühlfluids.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der jeweilige Leitungsabschnitt vollständig aus einem Kunststoff besteht oder zumindest zu seiner radialen Außenseite mit einer Umhüllung oder Beschichtung aus Kunststoff versehen ist. Dadurch kann der Leitungsabschnitt möglichst nahe an den Wicklungsabschnitten angeordnet werden, ohne die magnetischen Feldlinien negativ zu beeinflussen.
Als zweckmäßig hat es sich zudem herausgestellt, wenn die Leitungsabschnitte zusammen mit dem Verteilerrohr kammförmig angeordnet sind / eine kammförmige Leitungsanordnung bilden. Dadurch sind die Leitungsabschnitte zusammen mit dem Verteilerrohr einfach in dem Grundkörper montierbar.
Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn das Verteilerrohr kreisbogenförmig oder vollständig umlaufend / ringförmig umgesetzt ist. Bei der ringförmigen Ausbildung werden alle Leitungsabschnitte gesamtheitlich in den Grundkörper eingeschoben, was die Montage weiter vereinfacht; durch die kreisbogenförmige Ausbildung ist eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung des Kühlfluides auf die entsprechenden Leitungsabschnitte ermöglicht.
Hinsichtlich der kreisbogenförmigen Ausbildung des Verteilerrohrs hat es sich des Weiteren als vorteilhaft herausgestellt, wenn mehrere, jeweils mit mehreren Leitungsabschnitten weiter verbundene kreisbogenförmige Verteilerrohre in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, wobei die Verteilerrohre mit einer gemeinsamen Fluidzuführung weiter gekoppelt sind.
Die Montage wird weiter vereinfacht, wenn das zumindest eine Verteilerrohr zu einer Stirnseite eines Wickelkopfes der Spulenanordnung hin angeordnet ist. Dadurch wird der Anschluss des Verteilerrohres an die weiteren Bestandteile der Kühleinrichtung vereinfacht.
Auch ist es von Vorteil, wenn der jeweilige Leitungsabschnitt unmittelbar als ein den Nutbereich in radialer Richtung nach innen verschließender Verschlusskeil ausgebildet ist. Dadurch wird der Aufbau des Elektromotors vereinfacht.
Diesbezüglich ist es auch zweckmäßig, wenn der jeweilige Leitungsabschnitt formschlüssig in einer Kerbgeometrie des Nutbereiches eingeschoben / eingerastet ist.
Dadurch kommt es zu einer robusten Aufnahme des jeweiligen Leitungsabschnittes in dem Nutbereich.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß ein Kühlkamm (bestehend aus Leitungsabschnitten und Verteilerrohr) zur aktiven Kühlung einer Wicklung (Spulenanordnung mit Wicklungsabschnitten) innerhalb mehrerer Nuten (Nutbereiche) eines Elektromotors vorhanden. Die Rohre / Röhren (Leitungsabschnitte) des Kühlkamms werden axial in den Nuten angeordnet und weisen vorzugsweise Löcher oder Düsen (Öffnungen) auf, die in Richtung der Wicklungsabschnitte / Wicklungsdrähte gerichtet sind. In Abhängigkeit eines Drucks des Kühlfluids kann mehr oder weniger Kühlfluid auf die Wicklungsabschnitte gesprüht werden. Ein weiterer Vorteil des Kühlkamms ist, dass die Röhren innerhalb der Nuten die Windungsabschnitte radial in Position halten können. Der Kühlkamm kann somit auch als Nutverschlusskeil (Verschlusskeil) ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines Abschnittes eines erfindungsgemäßen Elektromotors nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei zwei in einem Nutbereich eines Grundkörpers angeordnete Leitungsabschnitte einer Kühleinrichtung gut zu erkennen sind,
Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung eines mit der Kühleinrichtung ausgestatteten Stators, wie er in Fig. 1 eingesetzt ist, wobei ein Leitungsabschnitt in Längsrichtung geschnitten dargestellt ist,
Fig. 3 eine Detailansicht des in Fig. 2 geschnitten dargestellten Stators im Bereich des in dem Grundkörper des Stators eingeschobenen Leitungsabschnittes, wobei mehrere radial austretende Öffnungen des Leitungsabschnittes gut zu erkennen sind,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines axial innerhalb des Grundkörpers angeordneten Endbereiches des Leitungsabschnittes zur Veranschaulichung einer Austrittsrichtung eines durch den Leitungsabschnitt eingebrachten Kühlfluids,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des nach Fig. 2 in Längsrichtung geschnittenen Stators, mit dem ein mit dem jeweiligen Leitungsabschnitt verbundenes Verteilerrohr abschnittsweise erkennbar ist,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer kammartigen Leitungsanordnung mit Verteilerrohr und axial davon weg verlaufenden Leitungsabschnitten, wie sie in den Fign. 1 bis 5 eingesetzt ist, Fig. 7 eine Längsschnittdarstellung des Stators, ähnlich zu Fig. 2, wobei die Leitungsanordnung samt Verteilerrohr und Leitungsabschnitten noch nicht axial in die Nutbereiche des Grundkörpers eingeschoben ist,
Fig. 8 eine Draufsicht auf einen in den Fign. 1 bis 7 eingesetzten Grundkörpers zur Veranschaulichung beispielhaft ausgeformter Nutbereiche, sowie
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines in Querrichtung geschnittenen Stators eines nach einem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildeten Elektromotors, in dem die Leitungsabschnitte auch als Verschlusskeile für die Nutbereiche an einer radialen Innenseite eingesetzt sind.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die verschiedenen Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele prinzipiell frei miteinander kombiniert werden.
In Verbindung mit den Fign. 1 bis 8 ist ein nach einem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildeter, erfindungsgemäßer Elektromotor 1 in seinem Aufbau zu erkennen. Der Elektromotor 1 weist einen gesamtheitlich ringförmig ausgebildeten Stator 2 und einen radial innerhalb des Stators 2 verdrehbar aufgenommen Rotor 3 auf. Der Elektromotor 1 ist bevorzugt als eine Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang eingesetzt. Der Elektromotor 1 dient daher vorzugsweise zum Antrieb eines rein elektrisch oder hybridisch angetriebenen Kraftfahrzeuges.
Der Stator 2 weist in dieser Ausführung einen Grundkörper 4 auf, in dem auf übliche Weise eine Spulenanordnung 5 aufgenommen ist. Der Grundkörper 4 ist weiter bevorzugt durch ein Blechpaket gebildet. Der Stator 2 ist zudem mit der nachfolgend näher beschriebenen Kühleinrichtung 8 ausgestattet. In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungen ist stattdessen der Rotor 3 mit dieser Kühleinrichtung 8 ausgestattet. Es sei daher darauf hingewiesen, dass die nachfolgend in Bezug auf den Stator 2 geschilderten Details in weiteren Ausführungsbeispielen auf den Rotor 3 angewendet sind. Wie in Fign. 5 zu erkennen, ist der Stator 2 mit einem Grundkörper 4 ausgestattet, der im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist. Dieser Grundkörper 4 ist aus einem Blechpaket, d. h. aus mehreren als Gleichteile ausgebildeten axial gestapelten Blechsegmenten / Einzelblechen, zusammengesetzt.
Der Grundkörper 4 weist mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, den Grundkörper 4 axial vollständig durchdringende Nutbereiche 7 auf. Diese in Fig. 8 nähre zu erkennenden Nutbereiche 7 sind in dem ersten Ausführungsbeispiel in radialer Richtung nach innen geöffnet. Diese Nutbereiche 7 weisen im Querschnitt betrachtet eine in radialer Richtung verlaufende Längserstreckung auf. Je Nutbereich 7 verlaufen mehrere Wicklungsabschnitte 6 axial durch den Grundkörper 4 hindurch, wie etwa in Fig. 5 gut zu erkennen. Die Wicklungsabschnitte 6 sind bspw. Bestandteil eines gewickelten Drahts oder so genannter gesteckter Drahtabschnitte / -pins. Die Wicklungsabschnitte 6 sind zu einer ersten axialen Seite 10a des Grundkörpers 4 zu einem Wicklungskopf 16 ausgebildet, um im Betrieb elektrisch mit einer Steuerung verbunden zu sein. Auch auf einer, der ersten axialen Seite 10a entgegengesetzten, zweiten axialen Seite 10b ragen die Wicklungsabschnitte 6 aus dem Grundkörper 4 hinaus.
Es sei auch darauf hingewiesen, dass die Nutbereiche 7 auch auf andere Weise als in Fig. 8 dargestellt ausgebildet sein können. Mit Fig. 8 ist zu erkennen, dass der Nutbereich 7 in dieser Ausführung einen in radialer Richtung mit einer konstanten Breite verlaufenden Wicklungsaufnahmeraum 19 aufweist, in dem unmittelbar die Wicklungsabschnitte 6 angeordnet sind. Radial innerhalb des Wicklungsaufnahmeraums 19 schließt ein Leitungsaufnahmeraum 20 an. Der Wicklungsaufnahmeraum 19 geht über zwei in Umfangsrichtung beidseitig des Nutbereiches 7 vorgesehene Schultern 21 in den Leitungsaufnahmeraum 20 über. Die Schultern 21 dienen vorzugsweise zur radialen Abstützung der in dem Nutbereich 7 aufgenommenen Wicklungsabschnitte 6. Zu einer radialen Innenseite des Leitungsaufnahmeraums 20 sind (radial beabstandet zu den Schultern 21 ) zwei in Umfangsrichtung aufeinander zu verlaufende Laschen 22 vorgesehen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel der Aufnahme / Fixierung eines nachfolgend beschriebenen Leitungsabschnittes 9 dienen. Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung 8, wie sie in Verbindung mit den Fign. 1 bis 7 gut zu erkennen ist, weist mehrere gemäß Fig. 6 dargestellte Leitungsanordnungen 23 auf, die in Umfangsrichtung aneinander anschließen und folglich wiederum gesamt- heitlich ein ringförmiges Leitungssystem bilden. Jede Leitungsanordnung 23 weist ein bogenförmig verlaufendes Verteilerrohr 11 auf, wobei mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Leitungsabschnitte 9 von einer gemeinsamen axialen Seite des Verteilerrohrs 11 weg verlaufen. Die Leitungsanordnung 23 weist folglich eine Kammform auf.
Gemäß weiteren Ausführungen ist es alternativ möglich, ein einziges Verteilerrohr 11 in Umfangsrichtung durchgängig / ringförmig verlaufen zu lassen. Die entsprechenden Leitungsabschnitte 9 verlaufen dann wiederum von diesem Verteilerrohr 11 zentral in axialer Richtung weg und in den jeweiligen Nutbereich 7 hinein.
Wie in Verbindungen der Fign. 5 und 7 gut zu erkennen, wird die Leitungsanordnung 23 derart axial in den Stator 2 sowie den Grundkörper 4 hineingeschoben, dass im fertig montierten Zustand der Kühleinrichtung 8 in jeden Nutbereich 7 ein Leitungsabschnitt 9 eingeschoben ist. Der jeweilige Leitungsabschnitt 9 ist in dem Leitungsaufnahmeraum 20 aufgenommen. Gemäß Fig. 3 weist jeder Leitungsabschnitt 9 in seinem axial in dem Grundkörper 4 angeordneten Bereich mehrere axial beabstandete Öffnungen 12 auf, durch die im Betrieb das dem Leitungsabschnitt 9 zugeführte Kühlfluid in den Leitungsaufnahmeraum 20 und in radialer Richtung nach außen zu den Wicklungsabschnitten 6 austritt (Fig. 4).
Mit Fig. 4 ist zudem gut zu erkennen, dass durch die Anordnung der Leitungsabschnitte 9 radial innerhalb der Wicklungsabschnitte 6 des jeweiligen Nutbereiches 7 das Kühlfluid in radialer Richtung nach außen direkt auf die Wicklungsabschnitte 6 aufgesprüht wird.
Die Leitungsabschnitte 9 der jeweiligen Leitungsanordnung 23 sind gleich ausgebildet, sodass sie in axialer Richtung auf gleicher Höhe die entsprechenden Öffnungen 12 aufweisen. Jener Bereich des Leitungsabschnittes 9, der axial außerhalb des Grundkörpers 4 angeordnet ist, ist ohne Öffnungen realisiert. Des Weiteren ist zu erkennen, dass das somit axial außerhalb des Grundkörpers 4 sowie axial versetzt zu einer Stirnseite 15 des Wickelkopfs 16 angeordnete Verteilerrohr 11 mit einer weiteren radial schräg verlaufenden Koppelleitung 24 im Betrieb mit einer Fluidzuführung weiter verbunden ist (Fign. 5 und 6).
Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass der jeweilige Leitungsabschnitt 9 durch ein Rohr gebildet ist, das zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht. In weiteren Ausführungen ist es prinzipiell auch möglich, den Leitungsabschnitt 9 vollständig aus Kunststoff herzustellen. In der gegenständlichen Ausführung ist das Verteilerrohr
11 zu seiner Außenseite 13 hin von einer aus Kunststoff bestehenden, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Umhüllung ummantelt (Fig. 4).
Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass auch wenn gemäß Fig. 3 die Öffnungen
12 in diesen Ausführungen als Bohrungen, d. h. mit gleichbleibendem Durchmesser umgesetzt sind, sie in weiteren Ausführungen als Blende / Düse umgesetzt sein können.
Gemäß Fig. 9 ist schließlich ein weiteres zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors 1 zu erkennen, das in Aufbau und Funktionsweise weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel gleicht. Der Kürze wegen sind demnach nachfolgend lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie mit Fig. 9 gut zu erkennen, ist der jeweilige Leitungsabschnitt 9 nun direkt als Verschlusskeil 17 ausgebildet, um unmittelbar den jeweiligen Nutbereich 7 zu einer radialen Innenseite der Wicklungsabschnitte 6 hin abzuschließen. Der Leitungsabschnitt 9 ist dabei nicht mehr wie im ersten Ausführungsbeispiel mit kreisförmigem Querschnitt, sondern mit einem im Wesentlichen trapezförmigen Vierkantquerschnitt realisiert. Es ist zudem zu erkennen, dass auf die Ausbildung der Laschen 22 folglich verzichtet ist. Der jeweilige Leitungsabschnitt 9 ist formschlüssig in eine die Schultern 21 ersetzenden Kerbgeometrie 18 an den umfangsseitigen Kanten des Nutbereiches 7 unmittelbar ver stet.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird erfindungsgemäß eine Möglichkeit zur Kühlung der Wickeldrähte (Wicklungsabschnitte 9) innerhalb der Nut (Nutbereiche 7) bei Statoren 2 mit verteilter Wicklung vorgeschlagen. Der Vorteil daran ist, dass dieser Bereich des Stators 2 die heißeste Stelle im System ist. Das liegt daran, dass hier die Drähte sehr dicht gepackt liegen und um sie herum durch das Blechpaket (Grundkörper 4) diese Wärme nicht abgeführt werden kann. Mit der hier aufgeführten Lösung wird eine aktive Kühlung durch ein flüssiges Kühlmedium / Kühlfluid beschrieben. Durch die Verringerung der Temperatur im Stator 2 werden so die damit verbundenen Verluste verringert, was die Gesamteffizienz des Systems steigert. Ebenso können durch geeignete Wahl des Kühlmittels auch höhere Ströme eingestellt werden, was eine Leistungssteigerung der elektrischen Maschine (Elektromotor 1 ) zur Folge hat.
Bei Statoren 2 mit Nutschulter (Schulter 21 ) steht in der Nut ungenutzter Raum zur Verfügung. Das hier beschriebene System beschreibt die Nutzung des Raums durch ein aktives Kühlsystem (Kühleinrichtung 8). Durch exakte Anpassung der Nut und eines Isolationspapiers 14 wird Raum für Kühlelemente, wie z.B. Rohre, erzeugt werden. Sollte durch die Veränderung der Nutgeometrie die Effizienz des Stators 2 ggf. sinken, kann dies durch eine effiziente Kühlung mehr als ausgeglichen werden.
In den Figuren 2 bis 4 ist die Form und das Prinzip der Kühlung dargestellt. Die axial in die Nut geführten Rohre (Leitungsabschnitte 9) haben kleine Löcher oder Düsen (Öffnungen 12), welche auf die Wickeldrähte gerichtet sind. Je nach Druck kann mehr oder weniger Kühlmittel, je nach Bedarf, auf die Wicklung gespritzt werden. Um Kurzschlüsse oder elektrische Überschläge und Beschädigung bei der Montage der Rohre an den Drähten und Isolationspapier 14 zu vermeiden, besitzen diese Rohre keine metallische Oberfläche. Die Figuren 5 bis 7 zeigen wie der Kühlkamm (Leitungsanordnung 23) umgesetzt werden kann. Über ein kreisförmiges Rohr, dem Kühlmittelverteiler (Verteilerrohr 11 ), wird das Kühlmittel auf die einzelnen Rohre, welche in die Nuten ragen, verteilt. Dieses Verteilerrohr 11 kann von außen über eines oder mehrere Zuführungen, welche ebenfalls Rohre oder auch Schläuche sein können, mit Kühlmittel aus einem Reservoir versorgt werden.
Das Verteilerrohr 11 kann auch in mehrere Segmente unterteilt werden, um so die Versorgung des Kühlmittels gleichmäßig zu halten (Fig. 6). Wie in Fig. 7 zu sehen, wird der gesamte oder segmentierte Kamm axial in die Nuten geführt. Dabei ist es für das Prinzip der Kühlung unerheblich, von welcher Seite dies geschieht. In diesem Beispiel handelt es sich um einen mit Hairpins gewickelten Stator 2, wobei die Montage des Kühlkamms von der sogenannten Twistseite geschieht. Der Kühlkamm kann jedoch auch in Statoren mit Wellenwicklung oder Einziehwicklung zum Einsatz kommen. Entscheidend ist hier lediglich die o.g. Form der Nut und dem außerhalb des Stators 2 zur Verfügung stehenden Bauraum.
Ein weiterer Vorteil des Kühlkamms ist, dass durch die in der Nut liegenden Rohre die Wicklung radial in Position gehalten wird. Im Fall der Wellenwicklung könnte der Kühlkamm zusätzlich als Nutverschlusskeil dienen (Fig. 9).
Dadurch ergeben sich zusammenfassend folgende Vorteile: Aktive Kühlung der Drähte innerhalb der Nut mit Kühlmittel; Erhöhung der Effizienz und Leistungsfähigkeit von Statoren; Positionssicherung der Wicklung in radialer Richtung; Kombination mit Nutverschlusskeil in Wellenwicklungen möglich; segmentierter Aufbau des Kühlkamms möglich, um die Kühlmittelverteilung besser zu gewährleisten. Bezuqszeichenliste
Elektromotor
Stator
Rotor
Grundkörper
Spulenanordung
Wicklungsabschnitt
Nutbereich
Kühleinrichtung
Leitungsabschnitt a erste axiale Seite b zweite axiale Seite
Verteilerrohr
Öffnung
Außenseite
Isolationspapier
Stirnseite
Wickelkopf
Verschlusskeil
Kerbgeometrie
Wicklungsaufnahmeraum
Leitungsaufnahmeraum
Schulter
Lasche
Leitungsanordnung
Koppelleitung

Claims

Patentansprüche Elektromotor (1 ) für einen Kraftfahrzeugantrieb, mit einem Stator (2) und einem relativ zu dem Stator (2) verdrehbar gelagerten Rotor (3), wobei der Stator (2) oder der Rotor (3) einen Grundkörper (4) aufweist und eine in dem Grundkörper (4) aufgenommene Spulenanordnung (5) mehrere Wicklungsabschnitte (6) besitzt, welche Wicklungsabschnitte (6) in mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten, den Grundkörper (4) axial durchdringenden Nutbereichen (7) aufgenommen sind, und mit einer Kühleinrichtung (8), die je Nutbereich (7) einen axial in diesen Nutbereich (7) hineinragenden Leitungsabschnitt (9) aufweist, wobei die verschiedenen Leitungsabschnitte (9) zu einer axialen Seite (10a) des Grundkörpers (4) hin an ein gemeinsames Verteilerrohr (11 ) angeschlossen sind. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Leitungsabschnitt (9) radial innerhalb der in demselben Nutbereich (7) aufgenommenen Wicklungsabschnitte (6) angeordnet ist. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Leitungsabschnitt (9) mehrere zu den Wicklungsabschnitten (6) hin austretende, axial verteilte Öffnungen (12) aufweist. Elektromotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Leitungsabschnitt (9) vollständig aus einem Kunststoff besteht oder zumindest zu seiner radialen Außenseite (13) mit einer Umhüllung aus Kunststoff versehen ist. Elektromotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte (9) zusammen mit dem Verteilerrohr (11 ) kammförmig angeordnet sind. Elektromotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerrohr (11 ) kreisbogenförmig oder vollständig umlaufend umgesetzt ist. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, jeweils mit mehreren Leitungsabschnitten (9) weiter verbundene kreisbogenförmige Verteilerrohre (11 ) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, wobei die Verteilerrohre (11 ) mit einer gemeinsamen Fluidzuführung weiter gekoppelt sind. Elektromotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Verteilerrohr (11 ) zu einer Stirnseite (15) eines Wickelkopfes (16) der Spulenanordnung (5) hin angeordnet ist. Elektromotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Leitungsabschnitt (9) unmittelbar als ein den Nutbereich (7) in radialer Richtung nach innen verschließender Verschlusskeil (17) ausgebildet ist. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Leitungsabschnitt (9) formschlüssig in einer Kerbgeometrie (18) des Nutbereiches (7) eingerastet ist.
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