WO2022073549A1 - Stator für axialflussmotor mit form- und kraftschluss sowie axialflussmotor in i-anordnung und direkter leiterkühlung - Google Patents

Stator für axialflussmotor mit form- und kraftschluss sowie axialflussmotor in i-anordnung und direkter leiterkühlung Download PDF

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WO2022073549A1
WO2022073549A1 PCT/DE2021/100787 DE2021100787W WO2022073549A1 WO 2022073549 A1 WO2022073549 A1 WO 2022073549A1 DE 2021100787 W DE2021100787 W DE 2021100787W WO 2022073549 A1 WO2022073549 A1 WO 2022073549A1
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stator
flange
axial flux
flux motor
stator core
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PCT/DE2021/100787
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French (fr)
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Holger Witt
Michael Menhart
Stefan Riess
Johann Oswald
Carsten Sonntag
Andrä Carotta
Daniel Mahler
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Priority to EP21791250.0A priority patent/EP4226477A1/de
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    • 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

  • the invention relates to a stator for an axial flux motor, which can also be referred to as an axial flux machine, e.g. in an I arrangement and with high power density for use in a travel drive, with a preferably stamped and/or coated/wound stator lamination stack that is mounted on a flange is attached.
  • an electric axial flux machine comprising an ironless disk-shaped rotor arranged on a machine shaft and two stators arranged next to the rotor.
  • the rotor has permanent magnets embedded in a fiber or fabric-reinforced plastic.
  • the permanent magnets are each positively connected to the surrounding plastic. Together with the permanent magnet and the machine shaft, the plastic forms a dimensionally stable unit.
  • An electromagnetic motor or generator with two rotors, four stators and an integrated cooling system is also known, for example from EP 3 738 199 A1.
  • an electric drive train is also known from the prior art.
  • Such an electric drive train consists of components for energy storage, energy conversion and energy transmission.
  • the energy conversion components include electrical machines, such as axial flow machines.
  • axial flow machines are also known in principle from the prior art in various designs with one or more stators and one or more rotors.
  • Axial flux machines can be operated as axial flux motors.
  • stators are connected to the surrounding supporting structure in various ways. This can be, among other things, radial shrinking/pressing into a housing, screwing axially to a housing and/or bearing flanges using screws, or other solutions. It is also possible to provide geometries on the laminated section of the stator that are intended exclusively for fastening it and do not affect the electromagnetically relevant area.
  • the torque transmission caused by the motor torque, is accompanied by a superimposed force component acting in the axial direction, which can also be derived from the surrounding load-bearing structure.
  • the geometry of the stator is generally reduced to the electromagnetic function. No additional geometry elements are provided on the stator here in order to fasten it.
  • stators are glued flat on the yoke side or screwed instead, namely both from the yoke side and from the pole side. Screw connections of this type lead to additional losses or reduced machine performance. Shrinkage of the laminated core is hardly possible due to its low intrinsic stability, especially at higher powers / torques.
  • stator core has a rear side / pole side that is positively and non-positively attached to a front side of the flange and / or a (extending in the radial direction) cooling channel between the stator core and the Flange is formed in the area of attachment.
  • the solution to the problem consists in realizing a combination of positive and non-positive locking between the laminated stator core and the housing/flange located on its yoke side.
  • radial grooves are introduced on the yoke side of the laminated core of the stator.
  • these have the same number and tangential (angular) position as the pole centers (number of winding slots) on the opposite pole side.
  • the pole centers number of winding slots
  • the surface adhesive connection acoustically decouples the stator core and the housing, which leads to a reduction in motor noise.
  • a special design of the slot in the laminated core of the stator can be achieved by providing a stepped design. Due to the stepped design of the groove in the Stator laminated core forms a channel that runs on the yoke side from the inner diameter of the laminated core to the outer diameter of the laminated core. In the current version, this serves as a return channel for the cooling medium used, such as oil, and cools the stator at the same time.
  • the steps of the groove are selected in such a way that they determine the axial position of the stator lamination stack on the pole side (air gap to the rotor) and also set the adhesive gap in a controlled manner.
  • the invention also relates to such a method, namely an assembly method, just like a cooling method.
  • the flange is designed as a housing or housing component. This facilitates embedding in a travel drive.
  • stator lamination packet It is useful if there are grooves / indentations / recesses on the back that are in a form fit with (partially / completely) opposite elevations / elevations / ribs.
  • the rear / pole side of the stator lamination packet is therefore cleverly prepared in order to achieve a form fit with the front of the flange / housing that is as square as possible. The result is good power transmission.
  • the longitudinal extent of the grooves/indentations/recesses extends in the radial direction and/or the elevations/prominences/ribs extend in the radial direction in their longitudinal extent. It is advantageous if the same pitch is maintained for both the grooves and the elevations. This means that the same angular subdivision is used.
  • An advantageous embodiment is also characterized in that a (preferably each) groove / indentation / a (each) recess has its part / in turn a channel / a channel, which is covered by the ridge / elevation / rib but unfilled to a cooling - To allow hydraulic fluid line. The dissipation of energy, either from the center or to the center, namely thermal energy, is thereby facilitated.
  • the groove has a wall facing the inside of the groove, which acts as a stop for a counter-stop provided by the elevation.
  • An advantageous embodiment is also characterized in that an adhesive gap present between the rear side of the laminated stator core and the front side of the flange is filled/filled with adhesive (completely/partially/area).
  • the invention also relates to an I-arrangement axial flux motor having a rotor which is arranged coaxially with a stator which is designed in accordance with the stator according to the invention.
  • two stators can be provided, between which the rotor is located and which are designed in accordance with the stator according to the invention.
  • the invention relates in particular to indirect cooling of conductors by cooling the rear side of the stator.
  • Direct cooling of the conductors is also affected, with the coolant being conducted in the circumferential direction around the machine and individual winding slots or grouped winding slots, the coolant flowing alternately from radially outside to radially inside and, in the case of the adjacent winding slots, the coolant flowing from radially inside to radially outside.
  • goals for the axial flux machine such as supporting high power density and providing high efficiency, are achieved.
  • a high power density places particular demands on the cooling concept. This is now taken into account.
  • An outer distribution channel which encloses the outer winding heads, and an inner distribution channel, which encloses the inner winding heads, are formed.
  • These cavities can be formed, for example, by the winding grooves having a rectangular cross section, in which several round conductors are routed.
  • the seal to the rear of the stator (the side facing away from the air gap to the rotor) has openings/perforations that allow coolant to flow to the rear of the stator.
  • the stator has grooves on the back, which form a connection for the coolant radially to the outside.
  • the flow direction of the coolant is not determined by the choice of words above. A possible realization is described below.
  • typical of the I-arrangement is a central disk-like rotor, which has a right and a left stator (with a right and a left stator core), each on the side of the rotor.
  • Each stator has a winding with an outer and an inner end winding. Parts of the conductors of the windings run in the winding slots between the outer and inner end windings and generate an electromagnetic force on the rotor when current is applied.
  • the outer end winding is located in a volume for the outer end winding, which is bounded radially inward by the stator core, radially outward by the motor housing, to the rotor by a partition to the rotor and to the rear of the stator by an outer partition on the back.
  • the inner end winding is located in a volume for the inner end winding, which extends radially inwards through a seal to the shaft, radially outwards through the stator core, to the rotor through a partition wall to the rotor and to the rear of the stator through a bearing support wall (whereby this wall is not absolutely has to support the bearing, but is only executed in this way in this example) is bordered.
  • the bearing support wall has openings which connect the volume for the inner end winding to the back of the stator.
  • the rear wall of the stator has grooves for the coolant return, which connect the breakthroughs/openings in the bearing support wall with a "collecting channel return" located radially on the outside.
  • volume for the winding heads can also be arranged in the volume for the winding heads, for example, or can be arranged only at the separation points of the individual components or outside the volume for the winding heads.
  • the volume for the outer end winding, the clearances in the winding slots parallel to the conductors in the slots, the volume for the inner end winding, the coolant openings in the bearing support wall, the coolant return slots on the back of the stator, and the coolant return manifold form a connected volume through which the coolant can flow or, if necessary, is pumped.
  • the flow direction can be freely selected when designing the motor.
  • the coolant return collecting channel and the volume for the outer end winding are connected to the coolant supply by means of discharge and supply lines. The coolant derivation is not shown in the following figures.
  • the slots for the coolant return are offset in the circumferential direction relative to the winding slots, so that the removal of material for the slots for the coolant return does not impair the function of the magnetic flux line in the stator yoke, or only to a small extent.
  • This type of cooling can also be used, for example, in a half-array (with only one stator on one side of the rotor) in an axial flow machine.
  • the axial flux machine could also be designed with a single tooth winding instead of a wave winding (both have outer and inner end turns and conductors running in the winding slots).
  • the invention is explained in more detail below with the aid of a drawing. show:
  • stator 1 shows a stator in an exploded view, comprising a laminated stator core and a housing/flange,
  • Fig. 3 shows a front view of the stator from Fig. 2,
  • Fig. 4 is a partially illustrated longitudinal sectional view taken along the line
  • Fig. 5 is a bent longitudinal sectional view along the line V in the
  • FIGS. 1 to 3 shows an exploded view of an axial flux motor according to the invention with two identical stators in the manner of the stator in FIGS. 1 to 3,
  • Fig. 7 shows the state of the axial flux motor from Fig. 6 during assembly
  • Fig. 8 shows the state of the axial flux motor of Figs. 6 and 7 after assembly
  • Figures 9 and 10 are schematic representations of a wave wound axial flux motor
  • Figs. 11-13 provide a visualization of coolant flow through the axial flow motor of Figs. 9 to 10
  • the figures are only of a schematic nature and serve only to understand the invention. The same elements are provided with the same reference numbers. The features of the individual embodiments can be interchanged.
  • the stator 1 shows a first embodiment of a stator 1 according to the invention.
  • the stator 1 has a stator core 2 and a flange 3 .
  • the laminated core 2 of the stator has a rear side/yoke side 4 .
  • the flange has a front side 5 which faces the back side 4 of the laminated core 2 of the stator.
  • the laminated core of the stator On the other side of the rear side 4 of the laminated core of the stator, the laminated core of the stator has a pole side 6. This pole side 6 could also be referred to as the front of the laminated core of the stator.
  • a rotor 7 faces the pole side 6, as is shown, for example, in FIGS. 6 to 8 is shown.
  • a spacer ring 8 is also used here.
  • Two stators 1 on both sides of the rotor 7 with its spacer ring 8 decisively form the axial flux motor/the axial flux machine, which is provided with the reference number 9 .
  • grooves/indentations/recesses 10 which are distributed regularly over the circumference and lead from radially inward to radially outward in the radial direction, are pointed out.
  • Each groove 10 in turn has a channel 11 which is open in the direction of the flange 3 and leads to a stepped configuration of the groove 10 . This is shown particularly well in FIG.
  • an elevation / elevation / rib 12 of the flange 3 which follows the division of the grooves 10 in terms of angle and length, covers the channel 11 but does not fill it, but only closes it, but (preferably) with a positive fit the groove 10 engages and is dimensioned such that a stop 13 of the stator core, formed by a wall of the groove 10, is flush and thus form-fitting in contact with a counter-stop 14, formed by the elevation 12.
  • Channel 11 serves as an oil channel.
  • a stator tooth is indicated with reference number 15 . It extends in the direction of the pole side 6.
  • the flange 3 is present on the yoke side.
  • the stops 13 and counter-stops 14 act as axial stops or transmit torque when the stator core 2 rotates relative to the flange 3.
  • the radial direction is indicated by the arrow 16.
  • the axial direction is referenced by the arrow 17, see for example FIG.
  • FIG. 9 a flange 3 shaped into the housing next to the rotor 7, having at least two coolant supply lines 25.
  • a coolant flow in the winding groove parallel to the wires, e.g. B. in the free spaces between a round wire and a rectangular groove is visualized with the arrow 26, see in particular FIG.
  • a coolant flow at a stator rear wall is indicated by the reference number 27, in particular in FIGS. 11 and 12 referenced.
  • Winding grooves are referenced in FIG. 13 with reference numeral 28 .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für einen Axialflussmotor (9) mit einem Statorblechpaket (2), das auf einem Flansch (3) befestigt ist, wobei das Statorblechpaket (2) eine Rückseite (4) besitzt, die form- und kraftschlüssig an einer Vorderseite (5) des Flansches (3) befestigt ist und/oder ein Kühlkanal (11) zwischen dem Statorblechpaket (2) und dem Flansch (3) im Bereich der Befestigung ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch einen Axialflussmotor (9) mit einem Rotor (7), der zwischen zwei Statoren (1) angeordnet ist, von denen einer oder beide erfindungsgemäß ausgebildet ist / sind.

Description

Stator für Axialflussmotor mit Form- und Kraftschluss sowie Axialflussmotor in I-Anordnunq und direkter Leiterkühlunq
Die Erfindung betrifft einen Stator für einen Axialflussmotor, der auch als Axialflussmaschine bezeichnet werden kann, bspw. in I-Anordnung und hoher Leistungsdichte zum Einsatz in einem Fahrantrieb, mit einem vorzugsweise gestanzten und/oder be-/gewi- ckelten Statorblechpaket, das auf einem Flansch befestigt ist.
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Axialflussmaschinen bekannt, bspw. aus der WO 01/11755 A1. Dort ist eine elektrische Axialflussmaschine offenbart, umfassend einen an einer Maschinenwelle angeordneten eisenlosen scheibenförmigen Rotor und zwei neben dem Rotor angeordneten Statoren. Der Rotor weist Permanentmagnete auf, die in einem faser- oder gewebearmierten Kunststoff eingebettet sind. Die Permanentmagnete sind jeweils formschlüssig mit dem umgebenden Kunststoff verbunden. Der Kunststoff bildet zusammen mit dem Permanentmagneten und der Maschinenwelle eine formstabile Einheit.
Bekannt ist auch ein elektromagnetischer Motor oder Generator mit zwei Rotoren, vier Statoren und einem integrierten Kühlsystem, bspw. aus der EP 3 738 199 A1.
Ferner ist auch eine elektrische Maschine aus der WO 2010/092403 A2 bekannt, in der eine Kühlung mit Kühlmittelfluss in Umfangsrichtung offenbart zu sein scheint.
Ein elektrischer Antriebsstrang ist im Grundsatz auch aus dem Stand der Technik bekannt. Ein solcher elektrischer Antriebsstrang besteht aus Komponenten zur Energiespeicherung, Energiewandlung und Energieleitung. Zu den Komponenten der Energiewandlung gehören elektrische Maschinen, bspw. Axialflussmaschinen. Axialflussmaschinen sind, wie bereits erläutert, aus dem Stand der Technik auch in diversen Bauweisen mit einem oder mehreren Statoren und einem oder mehreren Rotoren im Prinzip bekannt. Axialflussmaschinen können als Axialflussmotoren betrieben werden. Bei bekannten Axial- / Radialflussmaschinen werden Statoren auf verschiedene Arten mit der umgebenden tragenden Struktur verbunden. Dies können unter anderem sein, in ein Gehäuse radial Einschrumpfen / Einpressen, axial mittels den Schrauben an einem Gehäuse und/oder Lagerflanschen Festschrauben oder andere Lösungen. Es können auch Geometrien am Blechschnitt des Stators vorgesehen sein, die ausschließlich zur Befestigung dessen vorgesehen sind und den elektromagnetisch relevanten Bereich nicht beeinflussen.
Bei Axialflussmaschinen in I-Ausführungen kommt zur Momentenübertragung, bedingt durch das Motordrehmoment, eine überlagerte, in axialer Richtung wirkende Kraftkomponente hinzu, die ebenso auf die umgebende tragende Struktur abzuleiten ist.
Bei Axialflussmaschinen, hier im Besonderen bei I-Anordnung mit ein oder zwei Statoren und einem koaxial angeordneten oder dazwischenliegenden Rotor, ist die Geometrie des Stators in der Regel auf die elektromagnetische Funktion reduziert. Es sind hier keine zusätzlichen Geometrieelemente am Stator vorgesehen, um diesen zu befestigen. Statoren werden auf der Jochseite jedoch flächig verklebt oder anstelle dessen verschraubt, nämlich sowohl von der Jochseite als auch von der Polseite. Verschraubungen dieser Art führen zu zusätzlichen Verlusten oder einer reduzierten Maschinenleistung. Ein Einschrumpfen des Blechpaketes ist aufgrund dessen geringer Eigenstabilität kaum möglich, insbesondere bei höheren Leistungen / Drehmomenten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen oder wenigstens zu mildem.
Diese Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
Genauer gesagt wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Stator erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Statorblechpaket eine Rückseite / Polseite besitzt, die form- und kraftschlüssig an einer Vorderseite des Flanschs befestigt ist und/oder ein (sich in Radialrichtung erstreckender) Kühlkanal zwischen dem Statorblechpaket und dem Flansch im Bereich der Befestigung ausgebildet ist. Selbst bei hohen Leistungen bzw. Drehmomenten ist es nun möglich, die auftretenden Kräfte sicher und dauerhaft in das Gehäuse / den Flansch abzuleiten / abzutragen.
Hierbei wird kein zusätzlicher Bauraum beansprucht und zusätzliche Bauteile / Komponenten werden gering gehalten.
Mit anderen Worten besteht die Lösung der Aufgabe darin, eine Kombination aus Form- und Kraftschluss zwischen dem Statorblechpaket und dem auf dessen Jochseite befindlichen Gehäuse / Flansch zu realisieren. Hierzu werden auf der Jochseite des Statorblechpaketes Nuten in radialer Ausprägung eingebracht. Diese haben idealerweise die gleiche Anzahl und tangentiale (Winkel-)Position wie Polmitten (Anzahl an Wicklungsnuten) auf der gegenüberliegenden Polseite. An dieser Polseite ist eine relativ geringe elektromagnetische Aktivität und beeinflusst daher die Leistung des Antriebes unwesentlich. Darüber hinaus können diese Nuten während des Fertigungsverfahrens des Stators (stanzen und gleichzeitig wickeln) mit gefertigt werden. Es ist kein weiterer Prozess notwendig.
An der korrespondierenden Fläche des Gehäuses / Flansches sind entsprechend Erhöhungen / Rippen angebracht, welche dieses Bauteil versteifen und in die oben beschriebenen Nuten auf der Jochseite des Statorblechpaketes eingreifen. Über diesen Formschluss kann das Moment / Drehmoment des Antriebes abgetragen werden.
Auch wird dadurch die tangentiale und zentrische Position des Statorblechpaketes definiert. Die Befestigung und Übertragung der axialen Kräfte werden über eine flächige Verklebung des Statorjoches mit dem Gehäuse erreicht. Durch diese Aufteilung der auftretenden Kräfte kann die Belastung der Klebeverbindung wesentlich reduziert werden.
Die flächige Klebeverbindung entkoppelt akustisch das Statorblechpaket und das Gehäuse, was zu einer Verringerung des Motorgeräusches führt.
Eine besondere Ausführung der Nut im Statorblechpaket kann durch das Vorhalten einer gestuften Ausführung erreicht werden. Durch die gestufte Ausführung der Nut im Statorblechpaket bildet sich hierbei ein Kanal aus, der auf der Jochseite vom Blechpaketinnendurchmesser zum Blechpaketaußendurchmesser verläuft. Dieser dient in der aktuellen Ausführung als Rücklaufkanal für das verwendete Kühlmedium, wie Öl, und kühlt hierbei gleichzeitig den Stator.
Die Stufen der Nut sind derart gewählt, dass diese zum einen die axiale Position des Statorblechpaketes der Polseite (Luftspalt zum Rotor) festlegen, als auch den Klebespalt kontrolliert einstellen.
Bei der Montage des Blechpaketes muss dieses lediglich auf Anschlag in das Gehäuse / an den Flansch montiert und gehalten werden, bis die Klebeverbindung aktiviert ist. Letztlich betrifft die Erfindung auch ein solches Verfahren, nämlich ein Montageverfahren, genauso wie ein Kühlverfahren.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn der Flansch als Gehäuse oder Gehäusebauteil ausgebildet ist. Das Einbetten in einen Fahrantrieb wird dadurch erleichtert.
Es ist zweckmäßig, wenn auf der Rückseite Nuten / Vertiefungen / Rücksprünge vorhanden sind, die in Formschluss mit (teilweise / vollständig) gegengleichen Erhöhungen / Erhabenheiten / Rippen stehen. Die Rückseite / Polseite des Statorblechpaketes ist also geschickt vorbereitet, um in einen möglichst rechtwinkligen Formschluss mit der Vorderseite des Flansches / Gehäuses zu gelangen. Eine gute Kraftübertragung ist die Folge.
Es hat sich auch bewährt, wenn die Nuten / Vertiefungen / Rücksprünge sich in ihrer Längserstreckung in radialer Richtung erstrecken und/oder die Erhöhungen / Erhabenheiten / Rippen sich in ihrer Längserstreckung in radialer Richtung erstrecken. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die gleiche Teilung sowohl bei den Nuten, als auch bei den Erhöhungen eingehalten wird. Das bedeutet, dass dieselbe Winkelunterteilung genutzt ist. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass eine (vorzugsweise jede) Nut / Vertiefung / ein (jeder) Rücksprung ihrerseits / seinerseits einen Kanal / eine Rinne besitzt, der von der Erhöhung / Erhabenheit / Rippe bedeckt, aber unausgefüllt ist, um eine Kühl- und Hydraulikfluidleitung zu ermöglichen. Das Abführen von Energie, entweder vom Zentrum oder zum Zentrum, nämlich Wärmeenergie, wird dadurch erleichtert.
Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn einige oder alle Nuten gestuft ausgebildet sind, vorzugsweise beidseitig symmetrisch entlang der Längsachse der jeweiligen Nut. Dadurch kann einerseits geschickt der Formschluss vorgehalten sein und andererseits die Kühlmöglichkeit gewährleistet sein.
Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn die Nut eine zu einer Nutinnenseite zugewandte Wandung besitzt, die als Anschlag für einen durch die Erhöhung gestellten Gegenanschlag wirkt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Rückseite des Statorblechpaketes und der Vorderseite des Flansches vorhandener Klebespalt mit Klebstoff (vollständig / teilweise / flächig) aufgefüllt / ausgefüllt ist.
Wenn die dem Statorpaket zugewandte Vorderseite der Erhöhung (vollständig oder teilweise oder gar nicht) von einem Klebestofffilm bedeckt ist, so wird die Adhäsion des Statorpaketes an dem Flansch erhöht.
Die Erfindung betrifft auch einen Axialflussmotor in I-Anordnung mit einem Rotor, der koaxial zu einem Stator angeordnet ist, der entsprechend des erfindungsgemäßen Stators ausgebildet ist. Ebenso können zwei Statoren vorgesehen sein, zwischen denen sich der Rotor befindet und die entsprechend des erfindungsgemäßen Stators ausgebildet sind. Ferner betrifft die Erfindung insbesondere eine indirekte Kühlung von Leitern durch Kühlung der Stator-Rückseite.
Betroffen ist ebenso eine direkte Kühlung der Leiter, wobei das Kühlmittel in Umfangsrichtung um die Maschine geleitet wird und einzelne Wicklungsnuten oder gruppierte Wicklungsnuten alternierend das Kühlmittel von radial außen nach radial innen und bei den benachbarten Wicklungsnuten das Kühlmittel von radial innen nach radial außen fließt.
Es ist wird insbesondere die Aufgabe einer Integration einer direkten Leiterkühlung für eine Axialflussmaschine in I-Anordnung mit verteilter Wicklung / Wellenwicklung gelöst.
Vorteilhafterweise werden Ziele für die Axialflussmaschine, wie das Ertragen einer hohen Leistungsdichte und das Stellen eines hohen Wirkungsgrades, erreicht. Eine hohe Leistungsdichte stellt nämlich besondere Anforderungen an das Kühlkonzept. Dem wird nun Rechnung getragen.
Es werden ein äußerer Verteilkanal, der die äußeren Wickelköpfe umschließt, und ein innerer Verteilkanal, der die inneren Wickelköpfe umschließt, gebildet.
Parallel zu den Leitern in den Wickelnuten sind Hohlräume, welche eine Verbindung für das Kühlmittel vom äußeren Verteilkanal zum inneren Verteilkanal ausbilden.
Diese Hohlräume können z.B. ausgeformt werden, indem die Wickelnuten einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, in denen mehrere runde Leiter geführt sind.
Beim inneren Verteilkanal weist die Abdichtung zur Rückseite des Stators (vom Luftspalt zum Rotor abgewandte Seite) Öffnungen/Durchbrüche auf, welche einen Kühlmittelfluss zur Rückseite des Stators ermöglichen. Der Stator weist auf der Rückseite Nuten auf, welche eine Verbindung für das Kühlmittel nach radial außen bilden.
Die Flussrichtung des Kühlmittels ist durch die obige Wortwahl nicht festgelegt. Nachstehend erfolgt die Beschreibung einer möglichen Realisierung.
Typisch für die I-Anordnung ist nämlich ein mittlerer scheibenartiger Rotor, welcher einen rechten und einen linken Stator (mit einem rechten und einem linken Statorkern) jeweils seitlich vom Rotor aufweist. Jeder Stator hat eine Wicklung mit einem äußeren und einem inneren Wickelkopf. Teile der Leiter der Wicklungen verlaufen in den Wickelnuten zwischen dem äußeren- und dem inneren Wickelkopf und erzeugen bei Bestromung eine elektromagnetische Kraft auf den Rotor.
Der äußere Wickelkopf befindet sich in einem Volumen für den äußeren Wickelkopf, welcher nach radial innen durch den Statorkern, nach radial außen durch das Motorgehäuse, zum Rotor durch eine Trennwand zum Rotor und zur Stator-Rückseite durch eine äußere Trennwand Rückseitig berandet ist.
Der innere Wickelkopf befindet sich in einem Volumen für den inneren Wickelkopf, welcher nach radial innen durch eine Abdichtung zur Welle, nach radial außen durch den Statorkern, zum Rotor durch eine Trennwand zum Rotor und zur Stator-Rückseite durch eine Lagerstützwand (wobei diese Wand nicht unbedingt das Lager abstützen muss, sondern nur hier in diesem Beispiel so ausgeführt ist) berandet ist.
Die Lagerstützwand weist Durchbrüche auf, welche das Volumen für den inneren Wickelkopf mit der Rückseite des Stators verbindet.
Die Statorrückwand weist Nuten für die Kühlmittelrückführung auf, welche die Durch- brüche/Öffnungen in der Lagerstützwand mit einem radial außen liegenden „Sammelkanal Rückführung“ verbinden.
Bei Bedarf sind weitere Dichtelemente für die Volumen für die Wickelköpfe vorgesehen, welche z.B. auch im Volumen für den Wickelköpfe angeordnet sein können, oder nur an den Trennstellen der einzelnen Bauelemente oder auch außerhalb des Volumens für die Wickelköpfe angeordnet sein können. Das Volumen für den äußeren Wickelkopf, die Freiräume in den Wickelnuten parallel zu den Leitern in den Nuten, das Volumen für den inneren Wickelkopf, die Öffnungen für das Kühlmittel in der Lagerstützwand, die Nuten für die Kühlmittelrückführung auf der Stator-Rückseite und der Sammelkanal Kühlmittelrückführung bilden ein verbundenes Volumen, durch dem das Kühlmittel fließen kann bzw. bei Bedarf gepumpt wird. Die Flussrichtung kann bei der Auslegung des Motors frei ausgewählt werden. Hierfür sind der Sammelkanal Kühlmittelrückführung und das Volumen für den äußeren Wickelkopf mittels Ab- und Zuleitungen mit der Kühlmittelversorgung verbunden. Die Kühlmittel-Ableitung ist in den nachfolgenden Figuren nicht dargestellt.
Man kann sich den Fluss im Volumen für den äußeren Wickelkopf von der Zuleitung im Volumen zu einer der Wickelnuten gut vorstellen (wie später in Fig. 11 visualisiert), genauso, wie den Fluss in der Wickelnut (parallel zu den Leitern in der Wickelnut) zum Volumen für den inneren Wickelkopf. So kann der Fluss vom inneren Wickelkopf durch die Öffnungen in der Lagerstützwand zur Rückseite des Stators und der Fluss nach radial außen durch die Nuten auf der Stator-Rückseite verlaufen. Die Wickelnuten, das Volumen für den inneren Wickelkopf (Wickelkopf ausgeblendet) mit den Öffnungen in der Lagerstützwand kann man sich auch vorstellen, insbesondere wenn man die später noch beschriebenen Figuren 9 bis 13 näher betrachtet.
Wie aus Figur 11 ersichtlich, sind die Nuten für die Kühlmittelrückführung in Umfangsrichtung gegenüber den Wickelnuten versetzt, so dass die Materialwegnahme für die Nuten für die Kühlmittelrückführung nicht oder nur im geringen Maße die Funktion der magnetischen Flussleitung im Statorjoch beeinträchtigt.
Diese Art der Kühlung kann z.B. auch bei einer Axialflussmaschine in halber (-Anordnung (mit nur einem Stator auf nur einer Seite des Rotors) verwendet werden.
Die Axialflussmaschine könnte auch mit einer Einzelzahnwicklung anstatt einer Wellenwicklung ausgeführt werden (beide haben äußere und innere Wickelköpfe sowie Leiter, welche in den Wickelnuten verlaufen). Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Stator in Explosionsdarstellung, umfassend ein Statorblechpaket und ein Gehäuse / Flansch,
Fig. 2 die über einen Form- und Kraftschluss miteinander gekoppelte
Statorkonfiguration aus Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Frontansicht des Stators aus Fig. 2,
Fig. 4 eine teilweise dargestellte Längsschnittdarstellung entlang der Linie
IV in der Fig. 3,
Fig. 5 eine abgeknickte Längsschnittdarstellung entlang der Linie V in der
Fig. 3,
Fig. 6 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Axialflussmotors mit zwei baugleichen Statoren nach Art des Stators der Fign. 1 bis 3,
Fig. 7 der Zustand des Axialflussmotors aus Fig. 6 während der Montage,
Fig. 8 der Zustand des Axialflussmotors der Fign. 6 und 7 nach der Montage,
Fign 9 und 10 eine schematische Darstellung eines Axialflussmotors mit Wellenwicklung, und
Fign. 11 bis 13 eine Visualisierung des Kühlmittelflusses durch den Axialflussmotor der Fign. 9 bis 10. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators 1 dargestellt. Der Stator 1 weist ein Statorblechpaket 2 und einen Flansch 3 auf. Das Statorblechpaket 2 weist eine Rückseite / Jochseite 4 auf.
Der Flansch besitzt eine Vorderseite 5, die der Rückseite 4 des Statorblechpaketes 2 zugewandt ist. Auf der anderen Seite der Rückseite 4 des Statorblechpaketes besitzt das Statorblechpaket eine Polseite 6. Diese Polseite 6 könnte auch als Vorderseite des Statorblechpaketes bezeichnet werden.
Der Polseite 6 ist ein Rotor 7 zugewandt, wie er bspw. in den Fign. 6 bis 8 dargestellt ist. Dabei kommt auch ein Distanzring 8 zum Einsatz. Zwei Statoren 1 beidseitig des Rotors 7 mit seinem Distanzring 8 formen maßgeblich den Axialflussmotor / die Axialflussmaschine, welche mit dem Bezugszeichen 9 versehen ist.
Zurückkommend auf Fig. 1 sei auf regelmäßig über den Umfang verteilte und von radial innen nach radial außen führende in Radialrichtung sich längs erstreckende Nuten / Vertiefungen / Rücksprünge 10 herausgestellt. Jede Nut 10 besitzt ihrerseits einen in Richtung des Flansches 3 offenen Kanal 11 , der zu einer stufigen Ausgestaltung der Nut 10 führt. Dies ist besonders gut in Fig. 4 dargestellt.
Dort ist auch gut zu erkennen, dass eine Erhöhung / Erhabenheit / Rippe 12 des Flansches 3, der der Einteilung der Nuten 10 winkelmäßig und längenmäßig folgt, den Kanal 11 bedeckt, aber nicht ausfüllt, sondern nur verschließt, wohl aber (vorzugsweise) formschlüssig in die Nut 10 eingreift und dazu bemessen ist, dass ein Anschlag 13 des Statorblechpaketes, ausgeformt durch eine Wandung der Nut 10 bündig und somit formschlüssig in Anlage an einen Gegenanschlag 14, gebildet durch die Erhöhung 12, anliegt. Der Kanal 11 dient als Ölkanal. Ein Statorzahn ist mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet. Er erstreckt sich in Richtung der Polseite 6. Der Flansch 3 ist auf der Jochseite vorhanden. Die Anschläge 13 und Gegenanschläge 14 wirken als axiale Anschläge bzw. übertragen Drehmoment bei Drehung des Statorblechpaketes 2 relativ zum Flansch 3.
Die Radialrichtung ist mit dem Pfeil 16 angedeutet. Die Axialrichtung ist mit dem Pfeil 17 referenziert, siehe diesbezüglich bspw. Fig. 2. Die Umfangsrichtung ist dort mit dem Bezugszeichen / dem Pfeil 18 referenziert.
Während in der Fig. 9 insbesondere Luftspalte mit dem Bezugszeichen 19 herausgestellt sind, sieht man in der Fig. 10 besonders gut einen Sammelkanal 20 zur Kühlmittelrückführung, einen linken Statorkern 21 und einen rechten Statorkern 22 sowie eine linke Wicklung 23 und eine rechte Wicklung 24 sowie einen zum Gehäuse ausgeformten Flansch 3 neben dem Rotor 7, aufweisend zumindest zwei Kühlmittelzuleitungen 25.
Ein Kühlmittelfluss in der Wickelnut parallel zu den Drähten, z. B. in den Freiräumen zwischen einem Runddraht und einer rechteckigen Nut ist mit dem Pfeil 26, siehe insbesondere Fig. 11 , visualisiert. Ein Kühlmittelfluss an einer Stator-Rückwand ist mit dem Bezugszeichen 27, insbesondere in den Fign. 11 und 12 referenziert. Wickelnuten sind in der Fig. 13 mit dem Bezugszeichen 28 referenziert.
Bezuqszeichenliste
Stator
Statorblechpaket
Flansch
Rückseite
Vorderseite
Polseite
Rotor
Distanzring
Axialflussmotor / Axialflussmaschine
Nut / Vertiefung / Rücksprung
Kanal
Erhöhung / Erhabenheit / Rippe
Anschlag
Gegenanschlag
Statorzahn
Radialrichtung
Axialrichtung
Umfangsrichtung
Luftspalt
Sammelkanal linke Statorkern rechter Statorkern linke Wicklung rechte Wicklung
Kühlmittelzuleitung
Kühlmittelfluss
Kühlmittelfluss
Wickel nut

Claims

Ansprüche Stator (1 ) für einen Axialflussmotor (9) mit einem Statorblechpaket (2), das auf einem Flansch (3) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorblechpaket (2) eine Rückseite (4) besitzt, die form- und kraftschlüssig an einer Vorderseite (5) des Flansches (3) befestigt ist und/oder ein Kühlkanal (11 ) zwischen dem Statorblechpaket (2) und dem Flansch (3) im Bereich der Befestigung ausgebildet ist. Stator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (3) als Gehäuse oder Gehäusebauteil ausgebildet ist. Stator (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite (4) des Statorblechpaketes (2) Nuten oder Vertiefungen oder Rücksprünge (10) vorhanden sind, die in Formschluss mit gegengleichen Erhöhungen oder Erhabenheiten oder Rippen(12) des Flanschs (3) stehen. Stator (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (10) sich in ihrer Längserstreckung in radialer Richtung erstrecken und/oder sich die Erhöhungen (12) in ihrer Längserstreckung in radialer Richtung erstrecken. Stator (1 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nut (10) ihrerseits einen Kanal oder eine Rinne (11 ) besitzt, der von der Erhöhung (12) unausgefüllt bedeckt ist, um eine Kühl- und Hydraulikfluidleitung zu ermöglichen. Stator (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass einige oder alle Nuten (10) gestuft ausgebildet sind. Stator (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (10) eine zu einer Nutinnenseite gewandte Wandung besitzt, die als Anschlag (13) für eine durch die Erhöhung (12) gestellten Gegenanschlag (14) wirkt. Stator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Rückseite (4) des Statorblechpaketes (2) und der Vorderseite (5) des Flanschs (3) vorhandener Klebespalt mit Klebstoff ausgefüllt ist. Stator (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Statorblechpaket (2) zugewandte Vorderseite der Erhöhung (12) von einem Klebstofffilm bedeckt ist. Axialflussmotor (9) mit einem Rotor (7), der koaxial zu mindestens einem Stator (1 ) angeordnet ist, der nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
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