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Die vorliegende Erfindung betrifft Motortechnik bzw. Generatortechnik. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine neuartige Kühlgeometrie für eine elektrische Maschine, insbesondere für den Wickelkopf einer Spulenwicklung eines Statorelementes. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine für ein Transportmittel, ein Transportmittel, insbesondere Automobil, weiter insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen für Antriebs- und Generatortechnologie weisen prinzipbedingt ein Statorelement und ein Rotorelement auf. Das Statorelement weist eine geeignet ausgebildete Spulenwicklung auf, welche durch Stromfluss ein Wechselmagnetfeld erzeugen kann, um das Rotorelement in eine Drehbewegung zu versetzen. In elektrischen Maschinen werden dabei verschiedene Wickeltechniken für Spulenwicklungen im Stator eingesetzt.
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Ein mögliches Beispiel einer elektrischen Maschine bzw. eines Generators ist ein im Wesentlichen zylindrisch ausgebildetes Statorelement mit einem innenliegend angeordneten Rotorelement und geeigneter Drehachse. Die Spulenwicklung des Statorelementes ist im Wesentlichen die vollständige Zylinderoberfläche des Statorelementes umgebend bzw. durchdringend ausgebildet und ragt an den axialen Enden des Statorelementes aus diesem hinaus. An diesen axialen Enden bildet die Spulenwicklung einen sogenannten Wickelkopf aus, welcher eine hohe Anzahl von stromführenden Leitern auf einer vergleichsweise kleinen Fläche bzw. in einem vergleichsweise kleinen Volumen darstellt.
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Der Wickelkopf einer elektrischen Maschine, zum Beispiel einer verteilte Wicklung, ist hierbei aufgrund der dichten Anordnung der Stromleiter meist der heißeste Punkt einer elektrischen Maschine, insbesondere durch die Überlagerung der Phasen der Spulenwicklung in diesem Bereich.
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Herkömmlich erfolgt eine Kühlung eines Wickelkopfes durch thermische Anbindung des Wickelkopfes an das jeweilige Statorpaket zur Abgabe der auftretenden Verlustwärme und gegebenenfalls an dort vorgesehene Kühlvorrichtungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer neuartigen Wickelkopfkühlung für eine elektrische Maschine.
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Demgemäß wird eine elektrische Maschine für ein Transportmittel, ein Transportmittel, insbesondere Automobil, weiter insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen angezeigt. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein Wickelkopf einer elektrischen Maschine durch Einbringen einer Kühlkreislaufkomponente in den Wickelkopf oder Anbringen an dem Wickelkopf, insbesondere umfangsseitig umlaufend bzw. verlaufend, gekühlt. Eine derartige Kühlkreislaufkomponente soll somit Abwärme des Wickelkopfes aufnehmen und geeignet aus dem System bzw. von der elektrischen Maschine abführen.
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Erfindungsgemäß weist eine elektrische Maschine eine erste Kühlkreislaufkomponente auf, welche eingerichtet ist, den Bereich der Spulenwicklung des Statorelementes zu kühlen. Eine derartige Kühlkreislaufkomponente kann beispielsweise großflächig um die Oberfläche des im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Statorelementes abgeordnet sein und hierbei geeignet durch den Stromfluss der Spulenwicklung auftretende Verlustwärme aus der elektrischen Maschine ableiten. Im Weiteren ist eine zweite Kühlkreislaufkomponente vorgesehen, welche zur Kühlung des Wickelkopfes eingerichtet ist.
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Diese zweite Kühlkreislaufkomponente mag dabei parallel zur ersten Kühlkreislaufkomponente eingerichtet sein. Insbesondere mag die erste Kühlkreislaufkomponente Abzweigungen bzw. Bypass-Öffnungen aufweisen, an welchen die zweite Kühlkreislaufkomponente anschließbar ist. Die zweite Kühlkreislaufkomponente kann dabei beispielsweise als ein Rohr oder ein Kühlkanal bzw. eine Kühlschlange ausgebildet sein, an zumindest zwei geeigneten Anschlüssen mit der ersten Kühlkreislaufkomponente verbunden und im bzw. am Wickelkopf angeordnet sein.
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Als zweite Kühlkreislaufkomponente verwendbar ist beispielsweise ein geformtes Rohr, insbesondere aus Kunststoff, oder geeignet geformte oder flexible, geeignet druckfeste Hydraulikleitungen. Durch diese Leitungen mag nun eine Kühlflüssigkeit aus der ersten Kühlkreislaufkomponente abgegriffen und um den Wickelkopf geführt werden. Die Anbindung der zweiten Kühlkreislaufkomponente an die erste Kühlkreislaufkomponente mag hierbei über Plug and Seal-Elemente bzw. -Verbinder realisiert sein, somit aufsteckbar und im Wesentlichen dadurch selbstdichtend.
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Für eine bevorzugte thermische Anbindung des Wickelkopfes an die zweite Kühlkreislaufkomponente mag der Wickelkopf zusammen mit der zweiten Kühlkreislaufkomponente nach deren Montage mit einem geeigneten wärmeleitfähigen Vergussmaterial vergossen werden. Insbesondere geeignet hierfür ist Aminoplastmaterial, insbesondere Aminoplastharz.
EP 1 341 846 B1 beschreibt solches wärmeleitfähiges Vergussmaterial, insbesondere Aminoplastmaterial bzw. Aminoplastharze.
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Durch ein Vergießen des Wickelkopfes und der zweiten Kühlkreislaufkomponente wird eine bevorzugte thermische Anbindung des Wickelkopfes an die Kühlkreislaufkomponente bereitgestellt, wodurch diese, durch das in ihr vorgesehene und geleitete Kühlmedium, beispielsweise Wasser, am Wickelkopf auftretende Wärme ableiten mag.
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Die Ableitung kann dabei über die erste Kühlkreislaufkomponente erfolgen und somit auf herkömmliche Art aus einer elektrischen Maschine mit einer Statorkühlung abgeführt werden. Eine Ausgestaltung aus einem Kunststoff bzw. aus einem Nichtmetall verhindert die Beeinflussung der zweiten Kühlkreislaufkomponente durch vorherrschende Magnetfelder und insbesondere die Erwärmung der zweiten Kühlkreislaufkomponente durch diese. Die zweite Kühlkreislaufkomponente kann den Wickelkopf gewellt bzw. mäanderförmig überstreichen, um somit die Kontaktoberfläche zwischen Kühlkreislaufkomponente und Wickelkopf zu erhöhen. Gleichfalls ist denkbar, eine im Wesentlichen kreisrunde Kühlleitung mit Stichleitungen zu versehen, um auch hierdurch geeignet die Oberfläche der Überlappung von zweiter Kühlkreislaufkomponente und Wickelkopf zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine derart hergestellt, dass die Spulenwicklung, zum Beispiel eine verteilte Wicklung, in den Stator eingezogen wird. Anschließend bildet sich ein noch loser Wickelkopf aus, in welchem bzw. an welchem die zweite Kühlkreislaufkomponente vorgesehen bzw. eingezogen werden kann. Anschließend mag der Wickelkopf zusammen mit der zweiten Kühlkreislaufkomponente in Form gebracht bzw. gepresst werden und nachfolgend mit Wickelgarn kompaktiert werden. Abschließend wird der so entstandene Wickelkopf mit geeignetem wärmeleitfähigem Vergussmaterial vergossen.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen exemplarischen Aufbau einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2a, b eine exemplarische Ausgestaltung eines Verlaufs von erster Kühlkreislaufkomponente und optionaler zweiter Kühlkreislaufkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3a, b exemplarische Ausgestaltungen einer Geometrie der zweiten Kühlkreislaufkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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4 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung
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Weiter Bezug nehmend auf 1 wird ein exemplarischer Aufbau einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine elektrische Maschine 2 mit einem Statorelement 4, welches umlaufend um ein Rotorelement 6 mit Rotationsachse 8 angeordnet ist. Im Statorelement angeordnet ist eine Wicklung 5, welche nur schematisch auf einer Seite des Rotorelementes 6 angedeutet ist. Wicklung 5 ist nur schematisch angedeutet, die genaue Ausgestaltung der Spulenwicklung 5 ist einer konkreten Implementierung der elektrischen Maschine geschuldet.
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In einem Bereich der Spulenwicklung 7 angeordnet ist eine erste Kühlkreislaufkomponente 12, exemplarisch ausgebildet als ein die Oberfläche des Statorelementes 4 umlaufender Kühlkanal. Die erste Kühlkreislaufkomponente 12 überstreicht die Außenoberfläche des Statorelementes 4 im Wesentlichen über dessen gesamten Außenumfang, um eine geeignete Wärmeabfuhr vom Statorelement 4, insbesondere erzeugt durch den Stromfluss in der Wicklung 5, bereitzustellen. Elektrische Maschine 2 ist eingebettet in ein geeignetes Gehäuse 10.
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An den axialen Enden des Statorelementes 4 ausgebildet sind Wickelköpfe 16. Unter Verwendung einer Anschlussöffnung 18, beispielsweise eines Steckverbinders oder Plug and Seal-Verbinders ist eine zweite Kühlkreislaufkomponente 14 an die erste Kühlkreislaufkomponente 12 angebunden. Die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 verläuft von der ersten Kühlkreislaufkomponente 12 in geeigneter Weise zum Wickelkopf 16.
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Am Wickelkopf 16 umläuft die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 diesen in Umfangsrichtung und ermöglicht somit die Aufnahme von Verlustwärme des Wickelkopfes 16. Über eine erste Anschlussöffnung 18 der ersten Kühlkreislaufkomponente 12 kann die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 mit Kühlmittel versorgt werden, welches über eine zweite Anschlussöffnung 18 insbesondere nach zumindest einmaligem Umlauf um den Wickelkopf 16 wieder in die erste Kühlkreislaufkomponente 12 zurückgeführt wird. Ein mehrfacher Umfangsumlauf der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 um den Wickelkopf 16 ist ebenfalls denkbar. Die Anschlussöffnung 18 kann auch gelötet, geschweißt oder geprägt ausgeführt sein. Für eine verbesserte thermische Anbindung des Wickelkopfes 16 an die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 sind beide Elemente unter Verwendung von geeignetem Vergussmaterial 20 vergossen.
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Vergussmaterial 20 kann dadurch eine bevorzugte Wärmeleitung von Wickelkopf 16 zur zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 und deren Kühlmedium bereitstellen. Insbesondere geeignet sind Aminoplastmaterialien bzw. Aminoplastharze.
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Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann somit zunächst ein Statorelement 4 mit einer Spulenwicklung 5 und zumindest einem Wickelkopf 16 sowie einer ersten Kühlkreislaufkomponente 12 bereitgestellt werden, wobei die erste Kühlkreislaufkomponente 12 zum Kühlen eines Bereiches der Spulenwicklung 5 des Statorelementes 4 eingerichtet ist. Auf geeignete Weise können nachfolgend zumindest zwei Anschlussöffnungen 18 in die erste Kühlkreislaufkomponente 12 eingebracht werden, welche als Abgriffe zum Anbinden der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 eingerichtet sind. Hierdurch wird eine zweite Kühlkreislaufkomponente 14 an die erste Kühlkreislaufkomponente 12 anschließbar. Diese mag nun bevorzugt derart geführt werden, dass sie zur Kühlung des Wickelkopfes 16 eingerichtet ist. Nach dem Ausbilden der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 um den Wickelkopf 16 kann die Anordnung aus zweiter Kühlkreislaufkomponente 14 und zumindest einem Teil des Wickelkopfes 16, insbesondere der Bereich, in dem die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 am Wickelkopf 16 angenähert ist, anschließend mit einem geeigneten wärmeleitfähigen Vergussmaterial vergossen werden.
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Weiter Bezug nehmend auf 2a, b wird eine exemplarische Ausgestaltung eines Verlaufs von erster Kühlkreislaufkomponente und optionaler zweiter Kühlkreislaufkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Die 2a, b zeigen hierbei die plan abgewickelte, gemäß 1 das Statorelement 4 umlaufende erste Kühlkreislaufkomponente 12. Exemplarisch umgibt die erste Kühlkreislaufkomponente 12 den Außenmantel des Statorelementes 4 in einer Wellen- bzw. Mäanderform. Hierdurch wird eine bevorzugte thermische Anbindung des Bereichs des Statorelementes 4, in dem die Spulenwicklung 5 vorgesehen ist, an die erste Kühlkreislaufkomponente 12 erzielt.
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Zumindest zwei Anschlussöffnungen 18 sind in der ersten Kühlkreislaufkomponente 12 vorgesehen. In 2a sind diese noch geeignet verschlossen, beispielsweise weil das Material der ersten Kühlkreislaufkomponente 12 noch nicht zum Anschluss der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 vorbereit ist. Somit sind die Anschlussöffnung 18 noch nicht in die erste Kühlkreislaufkomponente 12 eingebracht.
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In 2b zu erkennen ist, dass Anschlussöffnungen 18 nunmehr geöffnet sind und eine zweite Kühlkreislaufkomponente 14 geeignet an die erste Kühlkreislaufkomponente 12 angebracht ist. Die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 stellt einen parallelen Kühlpfad zur ersten Kühlkreislaufkomponente 12 bereit. Hierdurch wird verhindert, dass von einer Kühlkreislaufkomponente erwärmtes Kühlmittel in die jeweils andere Kühlkreislaufkomponente eingeleitet wird, wodurch deren Kühlmöglichkeiten reduziert werden mögen. Die Flussrichtung 22 ist in der ersten Kühlkreislaufkomponente 12 und der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 gleich ausgebildet.
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Denkbar ist nun, dass eine elektrische Maschine 2, welche zunächst ausschließlich die erste Kühlkreislaufkomponente 12 aufweist, derart durch Einbringen von zumindest zwei Anschlussöffnungen 18 modifiziert wird, so dass die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 anbringbar und geeignet verbindbar ist. Somit lässt sich die erfindungsgemäße Wickelkopfkühlung auch nachträglich in eine elektrische Maschine zunächst ohne zweite Kühlkreislaufkomponente 14 anbinden. Im Bereich 24 verläuft die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 im Wesentlichen den Wickelkopf 16 umlaufend.
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In 2b ist die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 exemplarisch als ein Rohr bzw. ein Kühlkanal ausgebildet. Die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 ist hierbei bevorzugt aus einem Kunststoff ausgebildet und mag insbesondere eine Aluminiumbeschichtung aufweisen.
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Weiter Bezug nehmend auf 3a,b werden exemplarische Ausgestaltungen einer Geometrie der zweiten Kühlkreislaufkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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In 3a stellt sich die Geometrie der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 nicht als gerades Rohr oder gerader Kühlkanal dar, vielmehr ist sie wellig bzw. mäanderförmig ausgebildet. Im Wesentlichen ist die Ausgestaltung der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 gemäß 3a mit der der ersten Kühlkreislaufkomponente 12 der 2a, b vergleichbar. Eine entsprechende Mäanderform erhöht die Überschneidungsoberfläche zwischen der Wickelkopfoberfläche und der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 und ermöglicht eine bevorzugte Verlustwärmeabfuhr.
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In 3b dargestellt ist eine im Wesentlichen geradlinige zweite Kühlkreislaufkomponente 14, welche jedoch Stichleitungen 14‘ aufweist, um gleichfalls die Überschneidungsoberfläche von Wickelkopf 16 und zweiter Kühlkreislaufkomponente 14 zu erhöhen. 3a, b stellen hierbei exemplarisch den Bereich 24 dar wie in 2b angezeigt. Eine weitere geeignete Ausgestaltung der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 ist die Verwendung von formbarer, insbesondere flexibler Hydraulikleitung, welche über bekannte Anschlussverfahren bzw. Anschlusselemente mit geeigneten Anschlussöffnungen 18 der ersten Kühlkreislaufkomponente 12 verbindbar und welche flexibel um den Wickelkopf 16 führbar ist. Nach dem Aufbringen der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 auf die Oberfläche des Wickelkopfes 16 bzw. durch geeignetes Einbringen einer zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 in den Wickelkopf 16 kann die gesamte Anordnung aus zweiter Kühlkreislaufkomponente 14 und Wickelkopf 16 unter Verwendung von Vergussmaterial wärmeleitend verbunden werden.
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Weiter Bezug nehmend auf 4 wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren 30 zur Herstellung einer elektrischen Maschine 2 weist die Schritte auf: Bereitstellen 32 eines Statorelementes 4 mit einer Spulenwicklung 5 und zumindest einem Wickelkopf 16 sowie einer ersten Kühlkreislaufkomponente 12, welche eingerichtet ist zur Kühlung des Bereichs 7 der Spulenwicklung 5 des Statorelementes 4. An die erste Kühlkreislaufkomponente 12 ist eine zweite Kühlkreislaufkomponente 14 anschließbar, wobei die zweite Kühlkreislaufkomponente 14 eingerichtet ist zur Kühlung des Wickelkopfes 16. Nachfolgend erfolgt der Verguss 34 der zweiten Kühlkreislaufkomponente 14 und des zumindest einen Wickelkopfes 16 in einem wärmeleitfähigen Vergussmaterial, insbesondere einem Aminoplastmaterial, weiter insbesondere einem Aminoplastharz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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