WO2022214143A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2022214143A1
WO2022214143A1 PCT/DE2022/100265 DE2022100265W WO2022214143A1 WO 2022214143 A1 WO2022214143 A1 WO 2022214143A1 DE 2022100265 W DE2022100265 W DE 2022100265W WO 2022214143 A1 WO2022214143 A1 WO 2022214143A1
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WO
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stator
rotor
hydraulic
electrical machine
electrical
Prior art date
Application number
PCT/DE2022/100265
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English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Sonntag
Stefan Riess
Michael Menhart
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/22—Auxiliary parts of casings not covered by groups H02K5/06-H02K5/20, e.g. shaped to form connection boxes or terminal boxes
    • H02K5/225—Terminal boxes or connection arrangements
    • 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
    • H02K9/197—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil in which the rotor or stator space is fluid-tight, e.g. to provide for different cooling media for rotor and stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2793—Rotors axially facing stators
    • H02K1/2795—Rotors axially facing stators the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2796—Rotors axially facing stators the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets where both axial sides of the rotor face a stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/006—Structural association of a motor or generator with the drive train of a motor vehicle

Definitions

  • the present invention relates to an electrical machine comprising a rotor which is rotatably mounted relative to a stator, the rotor having a rotor shaft with at least one rotor body arranged on the rotor shaft in a rotationally fixed and non-displaceable manner, the stator having a stator body with a first stator winding, the first Stator winding is arranged within a first hydraulic chamber, within which the first stator winding is at least partially contacted by a hydraulic fluid.
  • Electric motors are increasingly being used to drive motor vehicles in order to create alternatives to internal combustion engines that require fossil fuels.
  • Significant efforts have already been made to improve the suitability for everyday use of electric drives and also to be able to offer users the driving comfort they are accustomed to.
  • This article describes a drive unit for an axle of a vehicle, which includes an electric motor that is arranged concentrically and coaxially with a bevel gear differential, with a switchable 2-speed planetary gear set being arranged in the power train between the electric motor and the bevel gear differential, which is also is positioned coaxially to the electric motor or the bevel gear differential or spur gear differential.
  • the drive unit is very compact and allows a good compromise between climbing ability, acceleration and energy consumption due to the switchable 2-speed planetary gear set.
  • Such drive units are also referred to as e-axles or electrically operable drive train.
  • hybrid drive trains are also known.
  • Such drive trains of a hybrid vehicle usually include a combination of an internal combustion engine and an electric motor and allow - for example in urban areas - a pure electrical mode of operation with sufficient range and availability at the same time, especially for overland journeys.
  • Jacket cooling and winding overhang cooling are known, for example, from the prior art for cooling electrical machines using hydraulic fluids. While jacket cooling transfers the heat generated on the outer surface of the stator laminations into a cooling circuit, with end winding cooling the heat transfer takes place directly on the conductors outside of the stator laminations in the area of the winding overhangs into the fluid.
  • the object of the invention is to provide an electrical machine that has a high power density due to optimized cooling and an optimized electromagnetic configuration, as well as reliable electrical and hydraulic guidance. Furthermore, it is the object of the invention that the electrical machine can be produced cost-effectively and is designed to be easy to assemble.
  • an electrical machine comprising a rotor which is mounted rotatably relative to a stator, the rotor having a rotor shaft with at least one rotor body arranged on the rotor shaft in a rotationally and non-displaceably fixed manner, the stator having a stator body with a first stator winding, the first stator winding is arranged within a first hydraulic chamber, within which the first stator winding can be contacted by a hydraulic fluid at least in sections, with at least one electrical conductor of the first stator winding exiting the first stator body in the axial direction and reaching through a partition wall, with a bushing element being arranged in the partition wall is that the at least one electrical conductor passes through in such a way that a hydraulic barrier between the hydraulic fluid on the side of the partition wall facing the stator body and the hydraulic fluid on the side facing away from the stator body en side of the partition is formed.
  • the hydraulic fluid preferably has a first temperature level T1 on the side of the partition wall facing the stator body and a second temperature level T2 on the side of the partition wall facing away from the stator body, with the first temperature level T1 preferably being different from the second temperature level T2.
  • the lead-through element thus ensures, in particular, that when the electrical conductor and hydraulic fluid are routed separately, an electrical conductor is contained in the latter is positioned, the requirements for electrical insulation with regard to clearances and creepage distances are met and at the same time the remaining flow cross-section is narrowed or sealed in such a way that a hydraulic barrier is formed, which has a required or permissible cross flow or flow or pressure drop for the application can happen or occur between the electrical conductor and the lead-through element.
  • the lead-through element is thus designed to accommodate and guide at least one electrical conductor locally without interruption and to narrow the flow cross section of the cooling circuit locally to form a hydraulic barrier.
  • the lead-through element can accommodate individual conductors or also several electrical conductors individually or collectively.
  • the lead-through element blocks the flow cross-section, forming a hydraulic barrier.
  • the hydraulic barrier can be designed to be completely sealing or also allow a cross flow of hydraulic fluid through the hydraulic barrier that is permissible for the application.
  • the cross-flow can preferably also be shut off to such an extent that this results in only an insignificant drop in pressure in the hydraulic system for the application.
  • the setting of the cross current can be done, for example, via a defined circumferential gap between the lead-through element and each electrical conductor by means of a compression between the sealing element and the electrical conductor or by additional sealing elements and sealing means.
  • the sealing element can be made of a material suitable for the application, for example an elastomer, technical plastic or a technical ceramic.
  • the material can preferably be used to ensure that the clearances and creepage distances are increased or maintained.
  • the sealing effect and thus the cross flow via the lead-through element can be reduced or adjusted via the additional sealing means or sealing elements.
  • Electrical machines are used to convert electrical energy into mechanical energy and/or vice versa, and generally include a stationary part referred to as a stator, stand or armature and a part referred to as a rotor or runner and arranged movably relative to the stationary part.
  • a stationary part referred to as a stator, stand or armature
  • a part referred to as a rotor or runner and arranged movably relative to the stationary part.
  • radial flux machines is characterized in that the magnetic field lines extend in the radial direction in the air gap formed between rotor and stator, while in the case of an axial flux machine the magnetic field lines extend in the axial direction in the air gap formed between rotor and stator.
  • the electrical machine according to the invention can be designed as an axial flux machine or radial flux machine.
  • the stator of the electrical machine can be designed in particular as a stator for a radial flux machine.
  • the stator of a radial flux machine is usually constructed cylindrically and preferably consists of electrical laminations that are electrically insulated from one another and are constructed in layers and packaged to form laminations. Distributed over the circumference, grooves and/or channels running parallel to the rotor shaft can be let into the electrical steel sheet and accommodate the stator winding or parts of the stator winding.
  • the stator designed for a radial flux machine can be designed as a stator for an internal rotor or an external rotor. In the case of an internal rotor, for example, the stator teeth extend radially inwards, while in the case of an external rotor they extend radially outwards.
  • the electric machine according to the invention is intended in particular for use within a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle.
  • the electrical machine is dimensioned in such a way that vehicle speeds of more than 50 km/h, preferably more than 80 km/h and in particular more than 100 km/h can be achieved.
  • the electrical machine particularly preferably has a power rating greater than 30 kW, preferably greater than 50 kW and in particular greater than 70 kW.
  • the electrical machine provides speeds greater than 5,000 rpm or 1/min, particularly preferably greater than 10,000 rpm, very particularly preferably greater than 12,500 rpm.
  • a stator winding is an electrically conductive conductor whose length is significantly greater than its length perpendicular to the length.
  • the stator winding can have any desired cross-sectional shape. Rectangular cross-sectional shapes are preferred, since they can be used to achieve high packing and consequently high power densities.
  • a stator winding made of copper is very particularly preferably formed.
  • a stator winding preferably has insulation.
  • mica paper which for mechanical reasons can be reinforced by a glass fabric carrier, can be wound in ribbon form around one or more stator windings, which are impregnated with a hardening resin.
  • the electrical machine is designed as an axial flow machine, comprising the rotor, which is mounted in a dry space so that it can rotate relative to the stator, the rotor connecting the rotor shaft with at least the first disc-shaped rotor shaft, which can be rotated and rotated on the rotor shaft non-displaceably arranged rotor body, wherein the stator comprises the first annular disk-shaped stator body and the second annular disk-shaped stator body, which are arranged coaxially to one another and to the rotor shaft and are spaced apart axially with the rotor being arranged in between.
  • the electrical machine can be designed to be very compact axially.
  • the magnetic flux in such an electric axial flux machine is directed axially in the air gap between the stator and rotor to a direction of rotation of the rotor of the axial flux machine.
  • a known type is a so-called I-arrangement, in which the rotor is arranged axially next to a stator or between two stators.
  • Another known type is a so-called H-arrangement, in which two rotors are arranged on opposite axial sides of a stator. In the context of the present invention, an I-arrangement is preferred.
  • the winding ends of the axial flux machine are preferably guided to one of the end faces of the axial flow machine through appropriately designed local openings in the axial flow machine and, after the corresponding axial pushing together of the corresponding machine parts, are electrically and mechanically connected in a suitable manner.
  • the winding ends of the stators connected in this way are, in a particularly preferred manner, led to the axially positioned phase connections on the face side via connecting conductors.
  • These connecting conductors can be seamlessly connected to the winding by winding ends or can be electrically and mechanically connected to the winding in a suitable manner.
  • the star point or the star points of the machine are preferably not executed up to the phase connection.
  • the electrical machine can preferably also include a hydraulic connecting element which hydraulically connects the first hydraulic chamber to the second hydraulic chamber, wherein at least one electrical conductor of the first stator winding and/or the second stator winding is arranged within the hydraulic connecting element.
  • the hydraulic connecting element can have any closed cross-sectional geometry and can be designed, for example, as a pipe or hose for bridging one or more joints between a first hydraulic chamber of a first stator body and a second hydraulic chamber of a second stator body. This hydraulic connecting element also ensures that the electrical conductor of a stator winding is guided in it and at the same time is surrounded by the coolant.
  • the hydraulic connecting element can preferably be inserted or inserted into existing openings.
  • air gaps and creepage distances within the electrical machine can be adjusted with the hydraulic connecting element.
  • the sealing effect of the hydraulic connecting element to adjoining housing parts can be achieved, for example, by a defined gap between the sealing element and the housing by pressing the hydraulic connecting element in the sealing area with adjoining housing parts or using a separate sealing element or a sealant.
  • the sealing element can preferably also be integrated into the hydraulic connection element for the sealed and electrically insulated passage.
  • the first hydraulic chamber is at least partially surrounded by a delimiting first housing component, which has a plurality of circumferentially distributed openings for the passage of the second winding ends.
  • the first winding ends are arranged on a circular path with a first diameter and the second winding ends are arranged on a circular path with a second diameter, the first diameter being different from the second diameter . It can hereby be achieved that the winding ends do not contact each other unintentionally.
  • first winding ends and the second winding ends provision can be made for the first winding ends and the second winding ends to be oriented towards the same axial end face of the axial flux machine.
  • first winding ends and the second Winding ends are connected to the same axial end face of the axial flux machine, whereby the assembly work can be further reduced.
  • the invention can also be further developed such that the first stator winding and the second stator winding are each configured at least in three phases with a star point connection.
  • the electrical connection element has a contacting body which is fixed in a receiving sleeve by means of a press fit.
  • the electrical connection element can be provided to use a bolt pressed into the receiving sleeve or a threaded bush as the contacting body, the main function of which is to support the clamping forces, for example via the supporting cross section and an undercut.
  • the material of the bolt or the threaded bushing advantageously has a higher mechanical load capacity (yield point) than the material of the receiving sleeve.
  • the receiving sleeve for its part preferably has a higher specific electrical conductivity compared to the contacting body.
  • the material of the receiving sleeve is softer and therefore has a lower mechanical load capacity (yield point) than the material of the contacting body.
  • the contacting body designed as a bolt or threaded bush is preferably pressed into the housing component in such a way that the softer material is deformed elastically and plastically, so that the sealing effect is sufficient to seal the two spaces on both sides of the housing component from one another or one space from the environment.
  • a widening of the cross section, which is designed for the deformation of the softer material is particularly preferably provided on the contacting body, for example on the bolt or the threaded bushing.
  • the elastic part of the forming ensures that the contact pressure is maintained and the plastic part of the forming to lengthen the sealing sections in the area provided for this purpose. Excess material of the counterpart is thereby in a designated area recorded.
  • the widening of the cross section of the contacting body for example the bolt or the threaded bushing, creates an undercut which counteracts the pull-out of the receiving sleeve.
  • the space for accommodating the excess material during the pressing-in process can preferably also be equipped with additional sealing means or sealing elements and thus further increase the sealing effect.
  • the receiving sleeve with the pressed-in contacting body is particularly preferably mounted in the housing component in an electrically insulated manner.
  • the housing component can be made of an electrically poorly conductive material or an insulating material or it can be inserted into an electrically non-conductive adapter that implements the electrical insulating effect between the housing component and the assembly of contacting body and receiving sleeve.
  • the sealing effect can be achieved, for example, via sealing elements between the receiving sleeve and the adjacent housing component or adapter.
  • the hydraulic barrier is designed as a seal. Furthermore, according to a likewise advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the hydraulic barrier is designed as a throttle, which has a gap with the electrical conductor, so that a predefined cross flow of hydraulic fluid can be set.
  • the invention can also be further developed such that the lead-through element is formed from a plastic, in particular an elastomer.
  • the lead-through element is held in the partition wall by means of a press fit.
  • the lead-through element can be provided with a form-fitting means which, with a corresponding form-fitting means on the partition wall, provides a form-fitting fixation of the lead-through element on the partition wall.
  • the form-fitting means can, for example, form a snap connection, a snap-lock connection or the like.
  • the lead-through element can have an undercut, which causes a form fit with a corresponding partition wall. In principle, it would also be conceivable in this connection for the lead-through element to be arranged in the partition wall with play.
  • the lead-through element is designed like a plug, with a circumferential collar which bears against the partition wall, so that a defined position of the lead-through element relative to the partition wall can be defined.
  • the partition wall forms the base of a conductor channel in which the conductors are guided in the circumferential direction and over which hydraulic fluid flows.
  • the invention can also be advantageously implemented in such a way that the electrical machine is designed as an axial flow machine, with the rotor mounted in a dry space so that it can rotate relative to the stator, the rotor connecting the rotor shaft with at least a first disc-shaped design that can rotate on the rotor shaft.
  • stator comprises a first annular disk-shaped stator body and a second annular disk-shaped stator body, which are coaxial to each other and to the rotor shaft and are axially spaced apart from one another with the rotor being arranged therebetween, and the first stator body has a first stator winding and the second stator body has a second stator winding, the first stator winding being arranged within a first hydraulic space and the second stator winding being arranged within a second hydraulic space, within which the respective stator windings can be contacted at least in sections by a hydraulic fluid.
  • FIG. 1 shows an electrical axial flux machine in a schematic axial sectional view
  • FIG. 2 shows a detailed view of the lead-through element in a schematic sectional view
  • FIG. 3 shows an electrical axial flow machine in a perspective exploded view
  • FIG. 4 shows a front view of an end face of a stator body
  • FIG. 5 shows a motor vehicle with an electric machine in schematic block diagram representations.
  • FIG. 1 shows an electric axial flow machine 1 for an electrically operated drive train 10 of a motor vehicle 11, as is shown in FIG. 3 by way of example.
  • the electrical machine 1 comprises a rotor 3 which is mounted rotatably relative to a stator 2 , the rotor 3 having a rotor shaft 30 with at least one rotor body 31 arranged on the rotor shaft 30 in a rotationally and non-displaceably fixed manner.
  • the stator 2 has a stator body 21 with a first stator winding 41, the first stator winding 41 being arranged within a first hydraulic chamber 51, within which the first stator winding 41 can be contacted by a hydraulic fluid 5 at least in sections.
  • the electrical machine is designed as an axial flow machine 1, with the rotor 2 mounted in a drying chamber 32 so that it can rotate relative to the stator 3, the rotor 3 supporting the rotor shaft 30 with at least a first disc-shaped design on the rotor shaft 30 that is rotationally and non-rotatably fixed arranged rotor body 31, and the stator 2 comprises a first annular disc-shaped stator body 21 and a second annular disc-shaped stator body 22, which are arranged coaxially with each other and with the rotor shaft 30 and are axially spaced from each other with the rotor 3 being arranged therebetween.
  • the first stator body 21 has a first stator winding 41 and the second stator body 22 has a second stator winding 42, the first stator winding 41 being arranged within a first hydraulic chamber 51 and the second stator winding 42 being arranged within a second hydraulic chamber 52, within which the respective stator windings 41, 42 can each be contacted by a hydraulic fluid 5 at least in sections.
  • the first stator winding 41 has first winding ends 43 emerging from the first stator body 21 and extending radially above the stator body 21 in the axial direction.
  • the second stator winding 42 has second winding ends 44 emerging from the second stator body 22, which extend radially above the first stator body 21 and the second stator body 22 in the axial direction. From the synopsis of Figure 1 with Figure 2 is also apparent that the first hydraulic chamber 51 is at least partially surrounded by a delimiting first housing component 91, which has a plurality of Has circumferentially distributed openings 13,14 for carrying out the second winding ends 44.
  • the first winding ends 43 are arranged on a circular path with a first diameter and the second winding ends 44 are arranged on a circular path with a second diameter, the first diameter being different from the second diameter.
  • the first winding ends 43 and the second winding ends 44 are oriented toward the same axial end face of the axial flux machine 1 and are connected to the same axial end face of the axial flux machine 1 .
  • the first stator winding 41 and the second stator winding 42 are each configured in at least three phases with a star point connection.
  • the electrical machine 1 also has a plurality of hydraulic connecting elements 6 which hydraulically connect the first hydraulic chamber 51 to the second hydraulic chamber 52 . At least one electrical conductor 7 of the second stator winding 42 is arranged within each of the hydraulic connecting elements 6 .
  • the plurality of essentially identically designed hydraulic connecting elements 6 is distributed circumferentially between the first hydraulic chamber 51 and the second hydraulic chamber 52 .
  • the hydraulic connecting element 6 is formed from an electrically non-conductive material and has an essentially cylindrical ring-like three-dimensional shape.
  • the hydraulic connection elements 6 are positioned radially above the first stator body 21 and the second stator body 22 .
  • each hydraulic connecting element 6 has a first seal 81, which seals the first hydraulic chamber 51 from the drying chamber 32 of the rotor 2, and the hydraulic connecting element 6 has a second seal 82, which seals the second hydraulic chamber 52 from the drying space 32 of the rotor 2 seals.
  • the first seal 81 and second seal 82 are designed as sealing rings in the exemplary embodiment shown.
  • the hydraulic connecting elements 6 are each connected by means of a press fit to a first housing component 91 that delimits the first hydraulic chamber 51 at least in sections and to a second housing component 92 that delimits the second hydraulic chamber 52 at least in sections.
  • An electrical connection element 70 is arranged in the first housing component 91 and has an electrical contacting body 71, which extends through the housing component 91 in such a way that a first cylindrical section 72 of the contacting body 71 projects into the first hydraulic chamber 51 and a second cylindrical section 77 of the Contacting body 71 can be contacted from the side of the first housing component 91 facing away from the first hydraulic chamber 51 .
  • the contacting body 71 is fixed in a receiving sleeve 73 by means of a circumferentially closed press fit, which in turn is held in the first housing component 91 by means of a press fit.
  • the first section 72 of the contacting body 71 is formed as a bolt, in particular a threaded bolt.
  • first section 72 of the contacting body 71 may be in the form of a bushing, in particular a threaded bushing.
  • the longitudinal extension of the contacting body 71 runs parallel to the axis of rotation of the rotor 30.
  • the electrical connection element 70 is connected to one or more of the electrical conductors 7 of the stator windings 41 , 42 in the direction of the first or second hydraulic chamber 51 , 52 .
  • electrical conductors 7 of the same phase can be connected to an electrical connection element 70 .
  • the first winding ends 43 of the first stator winding 41 assigned to the same phase and the second winding ends 42 of the second stator winding 42 are electrically and mechanically connected to the contacting body 71 of the electrical connection element 70 .
  • the connection of an electrical conductor to the first section 72 of the contacting body 71 can, for example, by Soldering or welding done or by means of a detachable connection such as a clamp.
  • At least one electrical conductor 11 of the first stator winding 41 exits the first stator body 21 in the axial direction and passes through a partition wall 12, with the hydraulic fluid 5 on the side of the partition wall 12 facing the stator body 21 having a first temperature level T1 and on the side of the partition wall 12 facing away from the stator body 21, the hydraulic fluid 5 has a second temperature level T2.
  • the first temperature level T1 is preferably different from the second temperature level T2.
  • a lead-through element 13 is arranged in the partition wall 12, through which the electrical conductor 11 passes in such a way that a hydraulic barrier 14 is formed between the hydraulic fluid 5 on the side of the partition wall 12 facing the stator body 21 and the hydraulic fluid 5 on the side facing away from the stator body 21 the partition wall 12 is formed.
  • the hydraulic barrier 14 is designed as a seal that is in contact with the electrical conductor 11 .
  • the lead-through element 13 is formed from a plastic, in particular an elastomer, and is held in the partition wall 12 by means of a press fit.
  • the lead-through element 13 is designed like a plug with a circumferential collar 15 which bears against the partition wall 12 .
  • the partition wall 12 forms the bottom of a conductor channel 16 in which the conductors 11 are guided in the circumferential direction and over which the hydraulic fluid 5 flows.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Frames (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) umfassend einen relativ zu einem Stator (3) drehbar gelagerten Rotor (2), wobei der Rotor (3) eine Rotorwelle (30) mit zumindest einem auf der Rotorwelle (30) dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper (31) aufweist, wobei der Stator (2) einen Statorkörper (21) mit einer ersten Statorwicklung (41) aufweist, wobei die erste Statorwicklung (41) innerhalb eines ersten Hydraulikraums (51) angeordnet ist, innerhalb dessen die erste Statorwicklung (41) von einem Hydraulikfluid (5) zumindest abschnittsweise kontaktierbar ist, wobei wenigstens ein elektrischer Leiter (11) der ersten Statorwicklung (41) in axialer Richtung aus dem ersten Statorkörper (21) austritt und eine Trennwand (12) durchgreift, wobei in der Trennwand (12) ein Durchführungselement (13) angeordnet ist, das von dem wenigstens einen elektrischen Leiter (11) derart durchgriffen wird, dass eine hydraulische Barriere (14) zwischen dem Hydraulikfluid (5) auf der dem Statorkörper (21) zugewandten Seite der Trennwand (12) und dem Hydraulikfluid (5) auf der dem Statorkörper (21) abgewandten Seite der Trennwand (12) ausgebildet ist.

Description

Elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit zumindest einem auf der Rotorwelle dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper aufweist, wobei der Stator einen Statorkörper mit einer ersten Statorwicklung aufweist, wobei die erste Statorwicklung innerhalb eines ersten Hydraulikraums angeordnet ist, innerhalb dessen die erste Statorwicklung von einem Hydraulikfluid zumindest abschnittsweise kontaktierbar ist.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011 , Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferenzial oder Stirnradifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2- Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebs stränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
Bei der Entwicklung der für E-Achsen oder Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der elektrischen Maschinen wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.
Die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung sind beispielsweise aus dem Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen mittels Hydraulikflüssigkeiten bekannt. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der äußeren Oberfläche des Statorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang direkt an den Leitern außerhalb des Statorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid.
Weitere Verbesserungen bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators (siehe z. B. EP3157138 A1) als auch in die Nut zusätzlich zu den Leitern eingebracht werden (siehe z. B. Markus Schiefer:
Indirekte Wicklungskühlung von hochausgenutzten permanenterregten Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017).
Es sind auch Konzepte bekannt, bei denen die Wicklungen direkt mit Hydraulikflüssigkeit umströmt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Hydraulikflüssigkeit und Leiter in der Nut ist bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise DE102015013018 A1 eine Lösung für elektrische Maschinen mit Einzelzahnwicklung, wobei das Fluid direkt die Wicklungen, welche um die Zähne gewickelt sind, umströmt. Zur definierten Kühlmittelführung kann es bei derartigen elektrischen Maschinen erforderlich sein, dass der elektrische Leiter einer Wicklung und der Kühlmittelstrom getrennt geführt werden müssen, so dass für die Anwendung kein relevanter Kreuzfluss bzw. Druckverlust über der Trennung vorliegt bzw. hervorgerufen wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine bereitzustellen, die eine hohe Leistungsdichte durch eine optimierte Kühlung und optimierte elektromagnetische Ausgestaltung sowie eine sichere elektrische wie hydraulische Führung aufweist. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, dass die elektrische Maschine kostengünstig herstellbar sowie montagefreundlich ausgeführt ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend einen relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit zumindest einem auf der Rotorwelle dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper aufweist, wobei der Stator einen Statorkörper mit einer ersten Statorwicklung aufweist, wobei die erste Statorwicklung innerhalb eines ersten Hydraulikraums angeordnet ist, innerhalb dessen die erste Statorwicklung von einem Hydraulikfluid zumindest abschnittsweise kontaktierbar ist, wobei wenigstens ein elektrischer Leiter der ersten Statorwicklung in axialer Richtung aus dem ersten Statorkörper austritt und eine Trennwand durchgreift, wobei in der Trennwand ein Durchführungselement angeordnet ist, dass von dem wenigstens einen elektrischen Leiter derart durchgriffen wird, dass eine hydraulische Barriere zwischen dem Hydraulikfluid auf der dem Statorkörper zugewandten Seite der Trennwand und dem Hydraulikfluid auf der dem Statorkörper abgewandten Seite der Trennwand ausgebildet ist.
Vorzugsweise weist das Hydraulikfluid auf der dem Statorkörper zugewandten Seite der Trennwand ein erstes Temperaturniveau T1 und auf der dem Statorkörper abgewandten Seite der Trennwand ein zweites Temperaturniveau T2 auf, wobei vorzugsweise das erste Temperaturniveau T1 verschieden von dem zweiten Temperaturniveau T2 ist.
Das Durchführungselement sorgt somit insbesondere dafür, dass bei getrennter Führung von elektrischem Leiter und Hydraulikfluid ein elektrischer Leiter in diesem positioniert ist, die Anforderungen an die elektrische Isolation hinsichtlich Luft- und Kriechstrecken erfüllt werden und gleichzeitig der verbleibende Strömungsquerschnitt so eingeengt oder abgedichtet wird, dass eine hydraulische Barriere ausgebildet ist, welche einen für die Anwendung erforderlichen bzw. zulässigen Kreuzfluss bzw. -ström oder Druckabfall zwischen dem elektrischen Leiter und dem Durchführungselement passieren bzw. auftreten lässt.
Das Durchführungselement ist somit zur unterbrechungsfreien lokalen Aufnahme und Führung mindestens eines elektrischen Leiters und zur lokalen Verengung des Strömungsquerschnitts des Kühlkreislaufs zu einer hydraulischen Barriere ausgebildet. Dabei kann das Durchführungselement einzelne Leiter oder auch mehrere elektrische Leiter einzeln oder gesammelt aufnehmen.
Das Durchführungselement versperrt den Strömungsquerschnitt unter Ausbildung einer hydraulischen Barriere. Die hydraulische Barriere kann hierbei vollständig abdichtend ausgebildet sein oder aber auch einen für die Anwendung zulässigen Kreuzstrom an Hydraulikfluid durch die hydraulische Barriere zulassen. Dabei kann bevorzugt der Kreuzstrom auch soweit abgesperrt sein, dass dieser für die Anwendung nur einen unbedeutenden Druckabfall im hydraulischen System zufolge hat. Die Einstellung des Kreuzstroms kann dabei beispielsweise über einen definierten umlaufenden Spalt zwischen Durchführungselement und jedem elektrischen Leiter mittels einer Verpressung zwischen Dichtelement und elektrischem Leiter oder durch zusätzliche Dichtelemente und Dichtmittel erfolgen. Dazu kann das Dichtelement aus einem für den Anwendungsfall geeigneten Werkstoff, beispielsweise einem Elastomer, technischen Kunststoff oder aus einer technischen Keramik ausgeführt sein. Über den Werkstoff kann darüber hinaus in bevorzugter Weise sichergestellt werden, dass die Luft- und Kriechstrecken vergrößert bzw. eingehalten werden. Über die zusätzlichen Dichtmittel oder Dichtelemente kann dabei insbesondere die Dichtwirkung und damit der Kreuzstrom über das Durchführungselement verringert oder eingestellt werden.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil. Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann als Axialflussmaschine oder Radialflussmaschine ausgebildet sein.
Der Stator der elektrischen Maschine kann insbesondere als Stator für eine Radialflussmaschine ausgebildet sein. Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht bevorzugt aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt können in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnete Nuten und/oder Kanäle eingelassen sein, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. Der für eine Radialflussmaschine ausgebildete Stator kann als Stator für einen Innenläufer oder Außenläufer ausgebildet sein. Bei einem Innenläufer erstrecken sich beispielsweise die Statorzähne radial nach innen, während sie sich bei einem Außenläufer radial nach außen erstrecken.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min bzw. 1/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
Eine Statorwicklung ist ein elektrisch leitfähiger Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als seine Erstreckung senkrecht zur Längserstreckung. Die Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet. Bevorzugt weist eine Statorwicklung eine Isolierung auf. Zur Isolierung der Statorwicklung kann beispielsweise Glimmerpapier, welches aus mechanischen Gründen durch einen Glasgewebeträger verstärkt sein kann, in Bandform um eine oder mehrere Statorwicklungen gewickelt sein, welche mittels eines aushärtenden Harzes imprägniert sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, ein aushärtbares Polymer oder eine Lackschicht ohne ein Glimmerpapier zu verwenden, um eine Statorwicklung zu isolieren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine als Axialflussmaschine ausgebildet ist, umfassend den relativ zu dem Stator drehbar in einem Trockenraum gelagerten Rotor, wobei der Rotor die Rotorwelle mit zumindest dem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper aufweist, wobei der Stator den ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und den zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper umfasst, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Rotors voneinander beabstandet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die elektrische Maschine so axial sehr kompakt bauend ausgebildet werden kann.
Der magnetische Fluss in einer derartigen elektrischen Axialflussmaschine (AFM), wie beispielsweise einer als Axialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial zu einer Rotationsrichtung des Rotors der Axialflussmaschine gerichtet. Es existieren unterschiedliche Typen von Axialflussmaschinen. Ein bekannter Typ ist eine sogenannte I-Anordnung, bei der der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet ist. Ein anderer bekannter Typ ist eine sogenannte H-Anordnung, bei der zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet sind. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist eine I-Anordnung bevorzugt.
Es ist ferner zu bevorzugen, dass die Wicklungsenden der Axialflussmaschine in der Art verlaufen, dass im Zusammenbau die Wicklungsenden parallel bzw. annähernd parallel zur Maschinenhauptachse orientiert sind. Die Wicklungsenden werden bei der Montage in bevorzugter Weise durch dafür vorgesehene und entsprechend ausgebildete lokale Freimachungen der Axialflussmaschine zu einer der Stirnseiten der Axialflussmaschine geführt und nach dem entsprechenden axialen Zusammenschieben der entsprechenden Maschinenteile geeignet elektrisch und mechanisch verbunden. Die so verbundenen Wicklungsenden der Statoren werden in besonders bevorzugter Weise stirnseitig über Verbindungsleiter zu den axial positionierten Phasenanschlüssen geführt. Diese Verbindungsleiter können durch Wicklungsenden nahtlos an die Wicklung anschließen oder an die Wicklung geeignet elektrisch und mechanisch angeschlossen sein. Der Sternpunkt bzw. die Sternpunkte der Maschine werden bevorzugt dabei nicht bis zum Phasenanschluss ausgeführt.
Die elektrische Maschine kann bevorzugt auch ein hydraulisches Verbindungselement umfassen, welches den ersten Hydraulikraum hydraulisch mit dem zweiten Hydraulikraum verbindet, wobei innerhalb des hydraulischen Verbindungselements wenigstens ein elektrischer Leiter der ersten Statorwicklung und/oder der zweiten Statorwicklung angeordnet ist. Das hydraulische Verbindungselement kann eine beliebige geschlossene Querschnittsgeometrie aufweisen und beispielsweise als ein Rohr oder ein Schlauch zur Überbrückung von einer oder mehreren Trennfugen zwischen einem ersten Hydraulikraum eines ersten Statorkörpers und eines zweiten Hydraulikraums eines zweiten Statorkörpers ausgebildet sein. Dieses hydraulische Verbindungselement sorgt ferner dafür, dass der elektrische Leiter einer Statorwicklung in diesem geführt und gleichzeitig vom Kühlmittel umspült wird. Dabei kann durch eine geeignete Auswahl des Werkstoffs des hydraulischen Verbindungselements und einer entsprechenden Wandstärke gleichzeitig eine elektrische Isolationswirkung gegenüber elektrisch leitenden Gehäuseteilen erzielt werden. Das hydraulische Verbindungselement kann bevorzugt in vorliegenden Durchbrüchen eingesteckt bzw. eingelegt sein. Darüber hinaus können mit dem hydraulischen Verbindungselement Luft- und Kriechstrecken innerhalb der elektrischen Maschine angepasst werden.
Die Dichtwirkung des hydraulischen Verbindungselements zu angrenzenden Gehäuseteilen kann dabei beispielsweise durch einen definierten Spalt zwischen dem Dichtelement und dem Gehäuse durch Verpressung des hydraulischen Verbindungselements im Dichtbereich mit angrenzenden Gehäuseteilen oder über ein gesondertes Dichtelement oder einen Dichtstoff erzielt werden. Das Dichtelement kann dabei vorzugsweise auch in das hydraulische Verbindungselement zur abgedichteten und elektrisch isolierten Durchführung integriert sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Hydraulikraum zumindest abschnittsweise von einem begrenzenden ersten Gehäusebauteil umfasst ist, welches eine Mehrzahl von umfänglich verteilten Öffnungen zur Durchführung der zweiten Wicklungsenden aufweist.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die ersten Wicklungsenden auf einer Kreisbahn mit einem ersten Durchmesser angeordnet sind und die zweiten Wicklungsenden auf einer Kreisbahn mit einem zweiten Durchmesser angeordnet sind, wobei der erste Durchmesser von dem zweiten Durchmesser verschieden ist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass die Wicklungsenden sich nicht unbeabsichtigt kontaktieren.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die ersten Wicklungsenden und die zweiten Wicklungsenden zur gleichen axialen Stirnseite der Axialflussmaschine hin orientiert sind. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die ersten Wicklungsenden und die zweiten Wicklungsenden an der gleichen axialen Stirnseite der Axialflussmaschine verschaltet sind, wodurch der Montageaufwand weiter reduziert werden kann.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die erste Statorwicklung und die zweite Statorwicklung jeweils mindestens dreiphasig mit einer Sternpunktverschaltung konfiguriert sind.
Zur Bereitstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen einem Nassraum und einem Trockenraum der elektrischen Maschine kann insbesondere bevorzugt wenigstens ein elektrischen Anschlusselement vorgesehen sein. Hierzu besitzt das elektrische Anschlusselement einen Kontaktierungskörper, welcher mittels einer Presspassung in einer Aufnahmehülse fixiert ist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, einen in die Aufnahmehülse eingepressten Bolzen oder eine Gewindebuchse als Kontaktierungskörper zu verwenden, deren Hauptfunktion die Abstützung der Klemmkräfte beispielsweise über den tragenden Querschnitt und einen Hinterschnitt ist. Der Werkstoff des Bolzens bzw. der Gewindebuchse besitzt in vorteilhafter Weise eine höhere mechanische Belastbarkeit (Fließgrenze) als der Werkstoff der Aufnahmehülse. Die Aufnahmehülse ihrerseits weist bevorzugt eine höhere spezifische elektrische Leitfähigkeit verglichen mit dem Kontaktierungskörper auf. Dafür ist der Werkstoff der Aufnahmehülse weicher und hat demnach eine geringere mechanische Belastbarkeit (Fließgrenze) als der Werkstoff des Kontaktierungskörpers.
Der als Bolzen oder Gewindebuchse ausgebildete Kontaktierungskörper wird in bevorzugter Weise so in das Gehäusebauteil eingepresst, dass der weichere Werkstoff elastisch und plastisch umgeformt wird, so dass die Dichtwirkung ausreicht, um die beiden Räume beidseits des Gehäusebauteils gegeneinander bzw. einen Raum gegen die Umwelt abzudichten. Dafür ist insbesondere bevorzugt am Kontaktierungskörper, beispielsweise am Bolzen bzw. der Gewindebuchse, eine Querschnittsaufweitung vorgesehen, welche für die Umformung des weicheren Werkstoffs ausgelegt ist. Der elastische Anteil der Umformung sorgt dabei für die Aufrechterhaltung der Anpressung und der plastische Anteil der Umformung zur Verlängerung der Dichtstrecken im dafür vorgesehenen Bereich. Überschüssiges Material des Gegenstücks wird dabei in einem dafür vorgesehenen Bereich aufgenommen. Gleichzeitig entsteht durch die Querschnittsaufweitung des Kontaktierungskörpers, beispielsweise des Bolzens bzw. der Gewindebuchse, eine Hinterschneidung, die dem Auszug der Aufnahmehülse entgegenwirkt. Der Raum zur Aufnahme des überschüssigen Materials beim Einpressvorgang kann in zu bevorzugender Weise ebenfalls mit zusätzlichen Dichtmitteln oder Dichtelementen bestückt werden und so die Dichtwirkung weiter steigern.
Die Aufnahmehülse mit dem eingepressten Kontaktierungskörper, beispielsweise dem Bolzen bzw. der Gewindebuchse, wird besonders bevorzugt elektrisch isoliert im Gehäusebauteil angebracht. Dafür kann beispielsweise entweder das Gehäusebauteil aus einem elektrisch schlecht leitenden Werkstoff bzw. einem Isolationsstoff gefertigt oder in einen elektrisch nichtleitenden Adapter eingesetzt sein, der die elektrische Isolationswirkung zwischen dem Gehäusebauteil und dem Zusammenbau aus Kontaktierungskörper und Aufnahmehülse realisiert. Die Dichtwirkung kann beispielsweise über Dichtelemente zwischen der Aufnahmehülse und dem angrenzenden Gehäusebauteil oder Adapter erzielt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl an elektrischen Leitern das Durchführungselement durchgreift.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die hydraulische Barriere als Dichtung ausgeführt ist. Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die hydraulische Barriere als Drossel ausgeführt ist, welche einen Spalt mit dem elektrischen Leiter aufweist, so dass ein vordefinierter Kreuzstrom an Hydraulikfluid einstellbar ist.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass für jeden elektrischen Leiter jeweils eine hydraulische Barriere in dem Durchführungselement vorgesehen ist, wodurch die Dichtwirkung weiter optimiert werden kann. Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Durchführungselement aus einem Kunststoff, insbesondere einem Elastomer, geformt ist.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Durchführungselement mittels einer Presspassung in der Trennwand gehalten ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Durchführungselement mit einem Formschlussmittel versehen sein, das mit einem korrespondierenden Formschlussmittel an der Trennwand eine formschlüssige Fixierung des Durchführungselements an der Trennwand bereitstellt. Die Formschlussmittel können beispielsweise eine Schnapp-Verbindung, eine Schnapp- Rast-Verbindung oder dergleichen ausbilden. Flierzu kann beispielsweise das Durchführungselement einen Hinterschnitt aufweisen, welcher mit einer entsprechend korrespondierenden Trennwand einen Formschluss bewirkt. Grundsätzlich wäre es in diesem Zusammenhang auch denkbar, dass das Durchführungselement spielbehaftet in der Trennwand angeordnet ist.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Durchführungselement stopfenartig ausgebildet ist, mit einem umlaufenden Kragen, welcher an der Trennwand anliegt, so dass eine definierte Lage des Durchführungselements gegenüber der Trennwand definierbar ist.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Trennwand den Boden eines Leiterkanals bildet, in dem die Leiter in Umfangsrichtung geführt und von dem Hydraulikfluid überströmt sind.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter weise dahingehend ausgeführt sein, dass die elektrische Maschine als Axialflussmaschine ausgebildet ist, mit dem relativ zum Stator drehbar in einem Trockenraum gelagerten Rotor, wobei der Rotor die Rotorwelle mit zumindest einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper aufweist, und der Stator einen ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und einen zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper umfasst, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Rotors voneinander beabstandet sind, und der erste Statorkörper eine erste Statorwicklung und der zweite Statorkörper eine zweite Statorwicklung aufweist, wobei die erste Statorwicklung innerhalb eines ersten Hydraulikraums und die zweite Statorwicklung innerhalb eines zweiten Hydraulikraums angeordnet ist, innerhalb derer die jeweiligen Statorwicklungen jeweils von einem Hydraulikfluid zumindest abschnittsweise kontaktierbar sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 eine elektrische Axialflussmaschine in einer schematischen Axialschnittansicht,
Figur 2 eine Detailansicht des Durchführungselements in einer schematischen Schnittdarstellung,
Figur 3 eine elektrische Axialflussmaschine in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
Figur 4 eine Frontalansicht auf eine Stirnseite eines Statorkörpers, und
Figur 5 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine in schematischen Blockschaltdarstellungen.
Die Figur 1 zeigt eine elektrische Axialflussmaschine 1 für einen elektrisch betriebenen Antriebsstrang 10 eines Kraftfahrzeugs 11 , wie es exemplarisch in der Figur 3 gezeigt ist. In der oberen Darstellung der Figur 3 ist der Antriebsstrang 10 eines hybrid angetriebenen und in der unteren Darstellung eines vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 11 mit jeweils einer elektrischen Maschine 1 gezeigt. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen relativ zu einem Stator 2 drehbar gelagerten Rotor 3, wobei der Rotor 3 eine Rotorwelle 30 mit zumindest einem auf der Rotorwelle 30 dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper 31 aufweist. Der Stator 2 besitzt einen Statorkörper 21 mit einer ersten Statorwicklung 41 , wobei die erste Statorwicklung 41 innerhalb eines ersten Hydraulikraums 51 angeordnet ist, innerhalb dessen die erste Statorwicklung 41 von einem Hydraulikfluid 5 zumindest abschnittsweise kontaktierbar ist.
Die elektrische Maschine ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Axialflussmaschine 1 ausgebildet, mit dem relativ zum Stator 3 drehbar in einem Trockenraum 32 gelagerten Rotor 2, wobei der Rotor 3 die Rotorwelle 30 mit zumindest einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle 30 dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper 31 aufweist, und der Stator 2 einen ersten ringscheibenförmigen Statorkörper 21 und einen zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper 22 umfasst, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle 30 angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Rotors 3 voneinander beabstandet sind.
Der erste Statorkörper 21 besitzt eine erste Statorwicklung 41 und der zweite Statorkörper 22 besitzt eine zweite Statorwicklung 42, wobei die erste Statorwicklung 41 innerhalb eines ersten Hydraulikraums 51 und die zweite Statorwicklung 42 innerhalb eines zweiten Hydraulikraums 52 angeordnet ist, innerhalb derer die jeweiligen Statorwicklungen 41 ,42 jeweils von einem Hydraulikfluid 5 zumindest abschnittsweise kontaktierbar sind.
Die erste Statorwicklung 41 weist aus dem ersten Statorkörper 21 austretende erste Wicklungsenden 43 auf, welche sich radial oberhalb des Statorkörpers 21 in axialer Richtung erstrecken. Die zweite Statorwicklung 42 besitzt aus dem zweiten Statorkörper 22 austretende zweite Wicklungsenden 44, welche sich radial oberhalb des ersten Statorkörpers 21 und des zweiten Statorkörpers 22 in axialer Richtung erstrecken. Aus der Zusammenschau von Figur 1 mit der Figur 2 ist ferner ersichtlich, dass der erste Hydraulikraum 51 zumindest abschnittsweise von einem begrenzenden ersten Gehäusebauteil 91 umfasst ist, welches eine Mehrzahl von umfänglich verteilten Öffnungen 13,14 zur Durchführung der zweiten Wicklungsenden 44 aufweist.
Die ersten Wicklungsenden 43 sind auf einer Kreisbahn mit einem ersten Durchmesser und die zweiten Wicklungsenden 44 auf einer Kreisbahn mit einem zweiten Durchmesser angeordnet, wobei der erste Durchmesser von dem zweiten Durchmesser verschieden ist.
Die ersten Wicklungsenden 43 und die zweiten Wicklungsenden 44 sind zur gleichen axialen Stirnseite der Axialflussmaschine 1 hin orientiert und an der gleichen axialen Stirnseite der Axialflussmaschine 1 verschaltet. Die erste Statorwicklung 41 und die zweite Statorwicklung 42 sind jeweils mindestens dreiphasig mit einer Sternpunktverschaltung konfiguriert.
Die elektrische Maschine 1 weist ferner eine Mehrzahl von hydraulischen Verbindungselementen 6 auf, welches den ersten Hydraulikraum 51 hydraulisch mit dem zweiten Hydraulikraum 52 verbinden. Innerhalb der hydraulischen Verbindungselemente 6 ist jeweils wenigstens ein elektrischer Leiter 7 der zweiten Statorwicklung 42 angeordnet. Die Mehrzahl von im Wesentlichen identisch ausgeführten hydraulischen Verbindungselementen 6 ist umfänglich verteilt zwischen dem ersten Hydraulikraum 51 und dem zweiten Hydraulikraum 52 angeordnet.
Das hydraulische Verbindungselement 6 ist aus einem elektrisch nichtleitfähigen Material gebildet und weist eine im Wesentlichen zylinderringartige Raumform auf.
In der gezeigten Ausführungsform sind die hydraulischen Verbindungselemente 6 radial oberhalb des ersten Statorkörpers 21 und des zweiten Statorkörpers 22 positioniert.
In der Figur 1 ist ferner gezeigt, dass ein hydraulisches Verbindungselement 6 jeweils eine erste Dichtung 81 aufweist, die den ersten Hydraulikraum 51 gegenüber dem Trockenraum 32 des Rotors 2 abdichtet und das hydraulische Verbindungselement 6 eine zweite Dichtung 82 aufweist, die den zweiten Hydraulikraum 52 gegenüber dem Trockenraum 32 des Rotors 2 abdichtet. Die erste Dichtung 81 und die zweite Dichtung 82 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Dichtringe ausgeführt.
Die hydraulischen Verbindungselemente 6 sind jeweils mittels einer Presspassung mit einem den ersten Hydraulikraum 51 zumindest abschnittsweise begrenzenden ersten Gehäusebauteil 91 und mit einem den zweiten Hydraulikraum 52 zumindest abschnittsweise begrenzenden zweiten Gehäusebauteil 92 verbunden.
In dem ersten Gehäusebauteil 91 ist ein elektrisches Anschlusselement 70 angeordnet, das einen elektrischen Kontaktierungskörper 71 aufweist, welcher sich durch das Gehäusebauteil 91 derart erstreckt, dass ein erster zylinderförmiger Abschnitt 72 des Kontaktierungskörpers 71 in den ersten Hydraulikraum 51 hineinragt und ein zweiter zylinderförmiger Abschnitt 77 des Kontaktierungskörpers 71 von der dem ersten Hydraulikraum 51 abgewandten Seite des ersten Gehäusebauteils 91 kontaktierbar ist. Der Kontaktierungskörper 71 ist mittels einer umfänglich geschlossenen Presspassung in einer Aufnahmehülse 73 fixiert, welche ihrerseits mittels einer Presspassung in dem ersten Gehäusebauteil 91 aufgenommen ist. Der erste Abschnitt 72 des Kontaktierungskörpers 71 ist als Bolzen, insbesondere Gewindebolzen, ausgeformt. Alternativ wäre es auch möglich, dass der erste Abschnitt 72 des Kontaktierungskörpers 71 als Buchse, insbesondere als Gewindebuchse, ausgeführt ist. Der Kontaktierungskörper 71 verläuft in seiner Längserstreckung achsparallel zur Rotationsachse des Rotors 30.
Das elektrische Anschlusselement 70 ist in Richtung des ersten bzw. zweiten Hydraulikraums 51 ,52 mit einem oder mehreren der elektrischen Leitern 7 der Statorwicklungen 41 ,42 verbunden. Insbesondere können an einem elektrischen Anschlusselement 70 elektrische Leiter 7 einer gleichen Phase angeschlossen sein. Dies ist in dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall. Die der gleichen Phase zugeordneten ersten Wicklungsenden 43 der ersten Statorwicklung 41 und die zweiten Wicklungsenden 42 der zweiten Statorwicklung 42 sind an dem Kontaktierungskörper 71 des elektrischen Anschlusselements 70 elektrisch wie auch mechanisch angebunden. Der Anschluss eines elektrischen Leiters an den ersten Abschnitt 72 des Kontaktierungskörpers 71 kann beispielsweise durch Verlöten oder Verschweißen erfolgen oder aber auch mittels einer lösbaren Verbindung wie mit einer Spannschelle.
Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, tritt wenigstens ein elektrischer Leiter 11 der ersten Statorwicklung 41 in axialer Richtung aus dem ersten Statorkörper 21 aus und durchgreift eine Trennwand 12, wobei auf der dem Statorkörper 21 zugewandten Seite der Trennwand 12 das Hydraulikfluid 5 ein erstes Temperaturniveau T1 aufweist und auf der dem Statorkörper 21 abgewandten Seite der Trennwand 12 das Hydraulikfluid 5 ein zweites Temperaturniveau T2 aufweist. Vorzugsweise ist das erste Temperaturniveau T1 verschieden von dem zweiten Temperaturniveau T2.
In der Trennwand 12 ist ein Durchführungselement 13 angeordnet, dass von dem elektrischen Leiter 11 derart durchgriffen wird, dass eine hydraulische Barriere 14 zwischen dem Hydraulikfluid 5 auf der dem Statorkörper 21 zugewandten Seite der Trennwand 12 und dem Hydraulikfluid 5 auf der dem Statorkörper 21 abgewandten Seite der Trennwand 12 ausgebildet ist. In der in der Figur 2 gezeigten Ausführungsform ist die hydraulische Barriere 14 als Dichtung ausgeführt, die kontaktierend an dem elektrischen Leiter 11 anliegt. Das Durchführungselement 13 ist aus einem Kunststoff, insbesondere einem Elastomer, geformt und mittels einer Presspassung in der Trennwand 12 gehalten. Das Durchführungselement 13 ist stopfenartig ausgebildet mit einem umlaufenden Kragen 15, welcher an der Trennwand 12 anliegt.
Wie aus der Figur 4 zu erkennen ist, bildet die Trennwand 12 den Boden eines Leiterkanals 16, in dem die Leiter 11 in Umfangsrichtung geführt und von dem Hydraulikfluid 5 überströmt sind.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 Maschine
2 Stator
3 Rotor
4 Statorwicklung
5 Hydraulikfluid
6 Verbindungselement
7 Leiter
9 Kraftfahrzeug
10 Antriebsstrang
11 Leiter
12 Trennwand
13 Durchführungselement
14 Barriere
15 Kragen
16 Leiterkanals
21 Statorkörper
22 Statorkörper
30 Rotorwelle
31 Rotorkörper
32 Trocken raum
41 Statorwicklung
42 Statorwicklung
43 Wicklungsenden
44 Wicklungsenden
51 Hydraulikraum
52 Hydraulikraum Anschlusselement Kontaktierungskörper Abschnitt Aufnahmehülse Dichtung Dichtung Gehäusebauteil Gehäusebauteil

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine (1 ) umfassend einen relativ zu einem Stator (2) drehbar gelagerten Rotor (3), wobei der Rotor (3) eine Rotorwelle (30) mit zumindest einem auf der Rotorwelle (30) dreh- und verschiebefest angeordneten Rotorkörper (31) aufweist, wobei der Stator (2) einen Statorkörper (21) mit einer ersten Statorwicklung (41) aufweist, wobei die erste Statorwicklung (41) innerhalb eines ersten Hydraulikraums (51) angeordnet ist, innerhalb dessen die erste Statorwicklung (41) von einem Hydraulikfluid (5) zumindest abschnittsweise kontaktierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrischer Leiter (11) der ersten Statorwicklung (41) in axialer Richtung aus dem ersten Statorkörper (21) austritt und eine Trennwand (12) durchgreift, wobei in der Trennwand (12) ein Durchführungselement (13) angeordnet ist, das von dem wenigstens einen elektrischen Leiter (11) derart durchgriffen wird, dass eine hydraulische Barriere (14) zwischen dem Hydraulikfluid (5) auf der dem Statorkörper (21) zugewandten Seite der Trennwand (12) und dem Hydraulikfluid (5) auf der dem Statorkörper (21) abgewandten Seite der Trennwand (12) ausgebildet ist.
2. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an elektrischen Leitern (11) das Durchführungselement (13) durchgreifen.
3. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Barriere (14) als Dichtung ausgeführt ist.
4. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Barriere (14) als Drossel ausgeführt ist, welche einen Spalt mit dem elektrischen Leiter (11) aufweist.
5. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden elektrischen Leiter (11) jeweils eine hydraulische Barriere (14) in dem Durchführungselement (13) vorgesehen ist.
6. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchführungselement (13) aus einem Kunststoff, insbesondere einem Elastomer, geformt ist.
7. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchführungselement (13) mittels einer Presspassung (12) und/oder mittels eines Formschlusses in der Trennwand gehalten ist.
8. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchführungselement (13) stopfenartig ausgebildet ist, mit einem umlaufenden Kragen (15), welcher an der Trennwand (12) anliegt.
9. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (12) den Boden eines Leiterkanals (16) bildet, in dem die Leiter (11) in Umfangsrichtung geführt und von dem Hydraulikfluid (5) überströmt sind.
10. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine als Axialflussmaschine (1) ausgebildet ist, mit dem relativ zum Stator (2) drehbar in einem Trockenraum (32) gelagerten Rotor (3), wobei der Rotor (3) die Rotorwelle (30) mit zumindest einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle (30) dreh- und verschiebefest angeordneten, Rotorkörper (31) aufweist, und der Stator (2) einen ersten ringscheibenförmigen Statorkörper (21) und einen zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper (22) umfasst, welche koaxial zueinander und zu der Rotorwelle (30) angeordnet und axial unter Zwischenanordnung des Rotors (3) voneinander beabstandet sind, und der erste Statorkörper (21) eine erste Statorwicklung (41) und der zweite Statorkörper (22) eine zweite Statorwicklung (42) aufweist, wobei die erste Statorwicklung (41) innerhalb eines ersten Hydraulikraums (51) und die zweite Statorwicklung (42) innerhalb eines zweiten Hydraulikraums (52) angeordnet ist, innerhalb derer die jeweiligen Statorwicklungen (41 ,42) jeweils von einem Hydraulikfluid (5) zumindest abschnittsweise kontaktierbar sind.
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