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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Maschine.
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Bei einer derartigen elektrischen Maschine kann es sich allgemein um einen Elektromotor oder um einen Generator handeln. Die elektrische Maschine kann als Außenläufer oder als Innenläufer ausgebildet sein.
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Eine gattungsgemäße Maschine ist beispielsweise aus der
US 5,214,325 bekannt. Sie umfasst ein Gehäuse, das einen Innenraum umgibt und das einen in einer Umfangsrichtung des Gehäuses umlaufenden, den Innenraum radial begrenzenden Mantel, axial einerseits eine den Innenraum axial begrenzende Rückseitenwand und axial andererseits eine den Innenraum axial begrenzende Vorderseitenwand aufweist. Fest mit dem Mantel ist ein Stator der Maschine verbunden. Im Stator ist ein Rotor der Maschine angeordnet, wobei eine Rotorwelle des Rotors über ein vorderes Wellenlager an der Vorderseitenwand drehbar gelagert ist.
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Typischerweise umfasst der Stator einer herkömmlichen elektrischen Maschine Statorwicklungen, die im Betrieb der Maschine elektrisch bestromt werden. Dabei entsteht Wärme, die zur Vermeidung einer Überhitzung und einer damit verbundenen Beschädigung oder gar Zerstörung des Stators abgeführt werden muss. Hierzu ist es aus herkömmlichen elektrischen Maschinen bekannt, diese mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Stators - insbesondere besagter Statorwicklungen - auszustatten. Eine solche Kühleinrichtung umfasst einen oder mehrere Kühlkanäle, die von einem Kühlmittel durchströmt werden und in der Nähe der Statorwicklungen im Stators angeordnet sind. Durch Wärmeübertragung von den Statorwicklungen auf das Kühlmittel kann Wärme vom Stator abgeführt werden.
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Als nachteilig erweist sich dabei, dass ein effizienter Wärmeübergang vom Stator auf das durch den jeweiligen Kühlkanal strömende Kühlmittel nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand verbunden ist. Dies wirkt sich jedoch nachteilig auf die Herstellungskosten der elektrischen Maschine aus.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine zu schaffen, bei welcher dieser Nachteil weitgehend oder gar vollständig beseitigt ist. Insbesondere soll eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine geschaffen werden, welches sich durch eine verbesserte Kühlung der Statorwicklungen des Stators auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, die Statorwicklungen einer elektrischen Maschine in eine Kunststoffmasse aus einem elektrisch isolierende Kunststoff einzubetten, in welcher auch ein Kühlmittelverteilerraum sowie ein Kühlmittelsammlerraum für ein Kühlmittel vorgesehen ist, welches durch thermische Wechselwirkung die von den Statorwicklungen erzeugte Abwärme aufnimmt. Dabei wird der Kunststoff als wärmeübertragendes Medium zur Übertragung von Wärme von den Statorwicklungen auf das Kühlmittel genutzt.
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Auf diese Weise wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Statorwicklungen und dem durch den Stator geführten Kühlmittel hergestellt. Dies gilt insbesondere, wenn ein Kunststoff verwendet wird, der eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Hierzu eignen sich besonders sogenannte duroplastische Kunststoffe. Da der Kunststoff auch die Eigenschaften eines elektrischen Isolators besitzt, ist gleichzeitig sichergestellt, dass die zu kühlenden Statorwicklungen durch den Kunststoff nicht auf unerwünschte Weise elektrisch kurzgeschlossen werden. Somit kann auch bei hoher Abwärme-Entwicklung im Stator, wie sie beispielsweise in einem Hochlastbetrieb der elektrischen Maschine auftritt, sichergestellt werden, dass die anfallende Abwärme vom Stator abgeführt werden kann. Eine Beschädigung oder gar Zerstörung der elektrischen Maschine durch Überhitzung des Stators kann somit vermieden werden. Die Herstellung der erfindungswesentlichen Kunststoffmasse mit dem darin ausgebildeten Kühlmittelverteilerraum bzw. Kühlmittelsammlerraum kann mittels Spritzgießens erfolgen, bei welchem die zu kühlenden Statorwicklungen mit dem Kunststoff umspritzt werden. Die Einbettung der Statorwicklungen und des Kühlkanal in die Kunststoffmasse gestaltet sich daher sehr einfach.
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Zur Kühlung der Statorwicklungen kann das Kühlmittel ausgehend vom in der Kunststoffmasse ausgebildeten Kühlmittelsammlerraum auf mehrere Kühlkanäle verteilt werden, in welchen das Kühlmittel durch thermische Wechselwirkung von den Statorwicklungen Abwärme aufnimmt. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle kann das Kühlmittel im Kühlmittelsammlerraum gesammelt werden. Da der Kühlmittelverteilerraum und der Kühlmittelsammlerraum erfindungsgemäß in der Kunststoffmasse angeordnet sind, kann das im Kühlmittelverteilerraum vorhandene Kühlmittel schon vor dem Verteilen auf die Kühlkanäle zur Kühlung der Statorwicklung verwendet werden. Entsprechendes gilt für das nach dem Durchströmen der Kühlkanäle im Kühlmittelsammlerraum gesammelte Kühlmittel. Im Ergebnis wird somit eine verbesserte Kühlung der Statorwicklungen erzielt.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug, umfasst einen Rotor, der um eine Rotationsachse drehbar ist. Durch die Rotationsachse wird eine axiale Richtung der elektrischen Maschine definiert. Die Maschine umfasst ferner einen Stator, der mehrere Statorwicklungen aufweist. Die Maschine umfasst ferner einen Kühlmittelverteilerraum und einen axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum. Der Kühlmittelverteilerraum kommuniziert zum Kühlen der von der Statorwicklung erzeugten Abwärme und mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanals fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum. Bevorzugt sind wenigstens zwei, besonders bevorzugt eine Mehrzahl solcher Kühlkanäle vorgesehen. Die zumindest eine Statorwicklung ist zur thermischen Kopplung zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, in eine Kunststoffmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet. Erfindungsgemäß sind der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum zur thermischen Ankopplung an die zumindest eine Statorwicklung wenigstens teilweise in der Kunststoffmasse ausgebildet bzw. angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Kühlkanal in die zumindest eine Kunststoffmasse aus dem Kunststoff eingebettet. Dies stellt eine gute thermische Ankopplung des durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittels an die betreffenden Statorwicklungen sicher.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum durch einen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in der Kunststoffmasse vorgesehenen Hohlraum ausgebildet. Die Bereitstellung einer separaten Umhüllung bzw. eines Gehäuses zur Begrenzung des Kühlmittelverteilerraums bzw. Kühlmittelsammlerraums kann somit entfallen. Damit gehen nicht unerhebliche Kostenvorteile einher.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform besitzt der Stator sich entlang der axialen Richtung erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne, welche die Statorwicklungen tragen. Bei dieser Ausführungsform ist die Kunststoffmasse mit dem zumindest einen Kühlkanal und mit der zumindest einen Statorwicklung in einem Zwischenraum angeordnet, welcher zwischen zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen ausgebildet ist. Diese Maßnahme stellt einen besonders guten Wärmeübergang zwischen den Statorwicklungen und dem Kühlkanal sicher, da der Kühlkanal in dem Zwischenraum in unmittelbarer Nachbarschaft zu den zu kühlenden Statorwicklungen angeordnet ist. Darüber hinaus kann besagter Zwischenraum zwischen den Statorzähnen bei der Herstellung der Kunststoffmasse in der Art einer Gussform verwendet werden, in welche der Kunststoff der Kunststoffmasse eingespritzt wird. Dies vereinfacht die Herstellung der Kunststoffmasse, da die Bereitstellung einer separaten Gussform entfallen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ragt die zumindest eine Kunststoffmasse axial, vorzugsweise beidseitig, aus dem Zwischenraum heraus. Somit kann die im jeweiligen Zwischenraum vorhandene Kunststoffmasse auch zur Begrenzung des Kühlmittelverteilerraums bzw. Kühlmittelsammlerraums verwendet werden.
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Zweckmäßig können der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse des Rotors eine ringförmige geometrische Formgebung besitzen. Dies erlaubt die Anordnung einer Mehrzahl von Kühlkanälen beabstandet zueinander entlang der Umfangsrichtung des Stators.
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Besonders bevorzugt begrenzt die zumindest eine Kunststoffmasse den Kühlmittelverteilerraum und/oder den Kühlmittelsammlerraum zumindest teilweise. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses kann somit entfallen.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum radial außen und/oder radial innen am ersten bzw. zweiten Endabschnitt der zumindest einen Statorwicklung angeordnet. Da der Kühlmittelverteilerraum bzw. Kühlmittelsammlerraum somit direkt bzgl. der radialen Richtung benachbart zu den zu kühlenden Statorwicklungen angeordnet ist, wird auf diese Weise eine effektive thermische Ankopplung des Kühlmittelverteilerraums bzw. Kühlmittelsammlerraums an die zu kühlenden Statorwicklungen erreicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum eine axiale Verlängerung der Statorwicklung aus oder sind jeweils in einer axialen Verlängerung der Statorwicklung angeordnet. Besonders bevorzugt schließen der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum axial an die zumindest eine Statorwicklung an. Da der Kühlmittelverteilerraum bzw. Kühlmittelsammlerraum somit bzgl. der axialen Richtung direkt benachbart zu den zu kühlenden Statorwicklungen angeordnet ist, wird auf diese Weise eine effektive thermische Ankopplung des Kühlmittelverteilerraums bzw. Kühlmittelsammlerraums an die zu kühlenden Statorwicklungen erreicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schließt der Kühlmittelsammlerraum und/oder der Kühlmittelverteilerraum radial außen und/oder radial innen sowie axial endseitig an die zumindest eine Statorwicklung, vorzugsweise an deren ersten bzw. zweiten axialen Endabschnitt, an.
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Besonders bevorzugt umgibt der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse des Rotors den ersten bzw. zweiten axialen Endabschnitt der zumindest einen Statorwicklung U-förmig.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Stator entlang der axialen Richtung zwischen einem ersten und einem zweiten Lagerschild angeordnet, die sich entlang der axialen Richtung gegenüberliegen. Bei dieser Ausführungsform ist ein Teil des Kühlmittelverteilerraums im ersten Lagerschild angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist ein Teil des Kühlmittelsammlerraums im zweiten Lagerschild angeordnet.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist im ersten Lagerschild eine Kühlmittelzuführung ausgebildet, welche den Kühlmittelverteilerraum fluidisch mit einem außen, vorzugsweise stirnseitig oder umfangsseitig, am ersten Lagerschild vorgesehenen Kühlmitteleinlass verbindet. Ferner ist im zweiten Lagerschild eine Kühlmittelabführung ausgebildet, welche den Kühlmittelsammlerraum fluidisch mit einem außen, vorzugsweise stirnseitig oder umfangsseitig, am zweiten Lagerschild vorgesehenen Kühlmittelauslass verbindet. Besonders bevorzugt kann die Kühlmittelzuführung thermisch mit einem im ersten Lagerschild vorgesehenen ersten Wellenlager zur drehbaren Lagerung des Stators verbunden sein. In analoger Weise kann die Kühlmittelabführung thermisch mit einem im zweiten Lagerschild vorgesehenen zweiten Wellenlager zur drehbaren Lagerung des Stators verbunden sein.
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Zweckmäßig umfasst der elektrisch isolierende Kunststoff der Kunststoffmasse einen Duroplasten oder ist ein Duroplast. Alternativ kann der elektrisch isolierende Kunststoff der Kunststoffmasse einen Thermoplasten umfassen oder ein Duroplast sein. Auch eine Kombination aus einem Duroplasten und einem Thermoplasten ist in einer weiteren Variante denkbar.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform schlägt vor, den zumindest einen Kühlkanal als Rohrkörper auszubilden, der einen Rohrkörperinnenraum umgibt. Vorzugsweise ist am Rohrkörper wenigstens ein Trennelement ausgeformt, welches den Rohrkörperinnenraum in wenigstens zwei fluidisch voneinander getrennte Teilkühlkanäle unterteilt.
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Zweckmäßig kann der Rohrkörper als Flachrohr mit zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt ist die Kunststoffmasse eine Spritzgussmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens vereinfacht und beschleunigt die Herstellung der Kunststoffmasse. Dies führt zu Kostenvorteilen bei der Herstellung der elektrischen Maschine.
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Besonders bevorzugt ist die gesamte Kunststoffmasse, also insbesondere die in den Zwischenräumen zwischen den Statorzähnen angeordnete und die den Kühlmittelverteilerraum und den Kühlmittelsammlerraum begrenzende Kunststoffmasse, einstückig ausgebildet. Diese Maßnahme vereinfacht die Herstellung der elektrischen Maschine, womit Kostenvorteile einhergehen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Stator einen, vorzugsweise ringförmigen, Statorkörper, von welchem die Statorzähne abstehen. Bei dieser Weiterbildung ist die Kunststoffmasse aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff auf einer Außenumfangsseite des Statorkörpers angeordnet ist und vorzugsweise auf dieser Außenumfangsseite eine Kunststoffbeschichtung ausbildet. Somit kann der Stator elektrisch gegen die Umgebung isoliert werden. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses zur Aufnahme des Statorkörpers kann somit entfallen. Auch eine Beschichtung zumindest einer oder beider Stirnseiten des Statorkörpers mit der Kunststoffmasse ist in einer optionalen Variante denkbar. In einer weiteren Variante kann die Kunststoffmasse den Statorkörper, vorzugsweise vollständig, umhüllen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einer vorangehend vorgestellten elektrischen Maschine. Die oben erläuterten Vorteile der elektrischen Maschine übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse des Rotor,
- 2 den Stator der elektrischen Maschine gemäß 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse des Rotors,
- 3 eine Detail des Stators der 2 im Bereich eines Zwischenraum zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen,
- 4 eine erste Variante der elektrischen Maschine der 1, bei welcher das durch die Kühlkanäle strömende Kühlmittel auch zur Kühlung der Wellenlager des Rotors verwendet wird,
- 5 eine zweite Variante der elektrischen Maschine gemäß 1, welche besonders wenig Bauraum beansprucht,
- 6 eine dritte Variante der Maschine gemäß 1, welche eine besonders effektive Kühlung der Statorwicklungen ermöglicht.
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1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 in einer Schnittdarstellung. Die elektrische Maschine 1 ist so dimensioniert, dass sie in einem Fahrzeug, vorzugsweise in einem Straßenfahrzeug, eingesetzt werden kann.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst einen in der 1 nur grobschematisch dargestellten Rotor 3 und einen Stator 2. Zur Verdeutlichung ist der Stator 2 in 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D entlang der Schnittlinie II - II der 1 in separater Darstellung dargestellt. Entsprechend 1 besitzt der Rotor 3 eine Rotorwelle 31 und kann mehrere, in der 1 nicht näher dargestellte Magnete aufweisen, deren magnetischer Polarisation entlang der Umfangsrichtung U abwechselt. Der Rotor 3 ist um eine Rotationsachse D drehbar, deren Lage durch die Mittellängsachse M der Rotorwelle 31 festgelegt ist. Durch die Rotationsachse D wird eine axiale Richtung A definiert, welche sich parallel zur Rotationsachse D erstreckt. Eine radiale Richtung R steht senkrecht zur axialen Richtung A. Eine Umfangsrichtung U rotiert um die Rotationsachse D.
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Wie 1 erkennen lässt, ist der Rotor 3 im Stator 2 angeordnet. Somit handelt es sich bei der hier gezeigten elektrischen Maschine 1 um einen sogenannten Innenläufer. Denkbar ist aber auch eine Realisierung als sogenannter Außenläufer, bei welcher der Rotor 3 außerhalb des Stators 2 angeordnet ist. Die Rotorwelle 31 ist in einem ersten Wellenlager 32a und, dazu axial beabstandet, in einem zweiten Wellenlager 32b um die Rotationsachse D drehbar am Stator 2 gelagert.
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Der Stator 2 umfasst außerdem in bekannter Weise mehrere, zum Erzeugen eines magnetischen Feld elektrisch bestrombare Statorwicklungen 6. Durch magnetische Wechselwirkung des von den Magneten des Rotor 3 erzeugten magnetischen Feldes mit dem von den Statorwicklungen 6 erzeugten magnetischen Feld wird der Rotor 3 in Rotation versetzt.
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Dem Querschnitt der 2 entnimmt man, dass der Stator 2 einen ringförmigen Statorkörper 7, beispielsweise aus Eisen, aufweisen kann. Insbesondere kann der Statorkörper 7 aus mehreren, entlang der axialen Richtung A aufeinandergestapelten und miteinander verklebten Statorkörperplatten (nicht gezeigt) gebildet sein. An dem Statorkörper 7 sind radial innen mehrere Statorzähne 8 angeformt, die sich entlang der axialen Richtung A erstrecken, radial nach innen vom Statorkörper 7 weg abstehen und entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeordnet sind. Jeder Statorzahn 8 trägt eine Statorwicklung 6. Die einzelnen Statorwicklungen 6 bilden zusammen eine Wicklungsanordnung. Je nach Anzahl der von den Statorwicklungen 6 zu bildenden magnetischen Pole können die einzelnen Statorwicklungen 6 der gesamten Wicklungsanordnung entsprechend elektrisch miteinander verdrahtet sein.
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Im Betrieb der Maschine 1 erzeugen die elektrisch bestromten Statorwicklungen 6 Abwärme, die aus der Maschine 1 abgeführt werden muss, um eine Überhitzung und eine damit einhergehende Beschädigung oder gar Zerstörung der Maschine 1 verhindern. Daher werden die Statorwicklungen 6 mithilfe eines Kühlmittels K gekühlt, welches durch den Stator 2 geführt wird und die von den Statorwicklungen 6 erzeugte Abwärme durch Wärmeübertragung aufnimmt.
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Um das Kühlmittel K durch den Stator 2 zu führen, umfasst die Maschine 1 einen Kühlmittelverteilerraum 4, in welchen über einen Kühlmitteleinlass 33 ein Kühlmittel K eingeleitet werden kann. Entlang der axialen Richtung A im Abstand zum Kühlmittelverteilerraum 4 ist ein Kühlmittelsammlerraum 5 angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 kommuniziert mittels mehrerer Kühlkanäle 10, von welchen in der Darstellung der 1 nur ein einzige erkennbar ist, fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum 5. In einem in den Figuren nicht gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A können der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils eine ringförmige Geometrie besitzen. Entlang der Umfangsrichtung U sind mehrere Kühlkanäle 10 beabstandet zueinander angeordnet, die sich jeweils entlang der axialen Richtung A vom ringförmigen Kühlmittelverteilerraum 4 zum ringförmigen Kühlmittelsammlerraum 5 erstrecken. Somit kann das über den Kühlmitteleinlass 33 in den Kühlmittelverteilerraum 4 eingebrachte Kühlmittel K auf die einzelnen Kühlkanäle 10 verteilt werden. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 10 und der Aufnahme von Wärme von den Statorwicklungen wird das Kühlmittel K im Kühlmittelsammlerraum 5 gesammelt und über einen am Stator 2 vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 wieder aus der Maschine 1 ausgeleitet.
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Wie die Darstellung der 1 und 2 erkennen lassen, sind die Statorwicklungen 6 in Zwischenräumen 9 angeordnet, die zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 ausgebildet sind. Besagte Zwischenräume 9 sind dem einschlägigen Fachmann auch als sogenannte „Stator-Nuten“ oder „Stator-Schlitze“ bekannt, die sich ebenso wie die Statorzähne 8 entlang der axialen Richtung A erstrecken.
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Nun sei das Augenmerk auf die Darstellung der 3 gerichtet, welche einen zwischen zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 - im Folgenden auch als Statorzähne 8a, 8b bezeichnet - ausgebildeten Zwischenraum 9 in einer Detaildarstellung zeigt. Um die Wärmeübertragung der von den Statorwicklungen 6 erzeugten Abwärme auf das durch die Kühlkanäle 10 strömende Kühlmittel K zu verbessern, ist entsprechend 3 in den Zwischenräumen 9 jeweils eine Kunststoffmasse 11 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff vorgesehen. Besonders bevorzugt ist die Kunststoffmasse 11 eine Spritzgussmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens vereinfacht und beschleunigt die Herstellung der Kunststoffmasse. Beim Beispiel der 3 besteht die Kunststoffmasse 11 aus einem einzigen Kunststoffmaterial. In die Kunststoffmasse 11, die beispielsweise aus einem Duroplasten oder einem Thermopolasten bestehen kann, sind der in den Zwischenraum 9 angeordnete Kühlkanal 10 und die in demselben Zwischenraum 9 angeordnete Statorwicklung 6 eingebettet. Es versteht sich, die dass die gemäß 3 in dem Zwischenraum 9 angeordnete Statorwicklung 6 jeweils teilweise einer ersten Statorwicklung 6a zugehörig ist, die von einem ersten Statorzahn 8a getragen ist, und teilweise einer zweiten Statorwicklung 6b zugeordnet ist, die von einem dem ersten Statorzahn 8a in Umfangsrichtung U benachbarten, zweiten Statorzahn 8b getragen ist. Zur Verdeutlichung dieses Szenarios ist in 3 eine virtuelle Trennlinie 12 eingezeichnet. Die in 3 links der Trennlinie 12 gezeigten Wicklungsdrähte 13a gehören zu der von dem Statorzahn 8a getragenen Statorwicklung 6a. Die rechts der Trennlinie 12 gezeigten Wicklungsdrähte 13b gehören zu der von dem Statorzahn 8b getragenen Statorwicklung 6b.
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Wie die Detaildarstellung der 3 weiter erkennen lässt, ist im jeweiligen Zwischenraum 9 zwischen der Kunststoffmasse 11 und dem Statorkörper 7 bzw. den beiden den Zwischenraum 9 in Umfangsrichtung U begrenzenden Statorzähnen 8a, 8b eine zusätzliche elektrische Isolation 15 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Als besonders kostengünstig erweist sich eine elektrische Isolation 15 aus Papier. Auf diese Weise kann im Falle, dass die Kunststoffmasse 11 aufgrund von thermischer Überlastung aufspringt oder auf andere Weise beschädigt wird, ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss der Statorwicklung 6 mit dem Material des Statorkörpers 7 bzw. der Statorzähne 8 bzw. 8a, 8b - typischerweise Eisen oder ein anderes geeignetes, elektrisch leitendes Material - vermieden werden.
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Wie die Detaildarstellung der 3 belegt, können die Kühlkanäle 10 jeweils durch einen Rohrkörper 16, beispielsweise aus Aluminium, gebildet sein, der einen Rohrkörperinnenraum 22 umgibt. Optional können, wie in der Detaildarstellung der 3 gezeigt, am Rohrkörper 16 ein oder mehrere Trennelemente 18 ausgeformt sein, welche den Kühlkanal 10 in fluidisch voneinander getrennte Teilkühlkanäle 19 unterteilt. Auf diese Weise kann das Strömungsverhalten des Kühlmittels K im Kühlkanal 10 verbessert werden, womit ein verbesserter Wärmeübergang auf das Kühlmittel K einhergeht. Außerdem wird der Rohrkörper 16 auf diese Weise zusätzlich mechanisch ausgesteift. In 3 sind exemplarisch drei solche Trennelemente 18 dargestellt, so dass sich vier Teilkühlkanäle 19 ergeben. Selbstredend ist in Varianten des Beispiels eine andere Anzahl an Trennelementen 18 möglich. Der den Kühlkanal 10 bildenden Rohrkörper 16 ist als Flachrohr 17 ausgebildet, welches in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D des Rotors 3 (vgl. 3) zwei Breitseiten 20 und zwei Schmalseiten 21 besitzt. In dem in 3 gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A erstrecken sich die beiden Breitseiten 20 des Flachrohrs 17 senkrecht zur radialen Richtung R. Eine Länge der beiden Breitseiten 20 beträgt wenigstens das Vierfache, vorzugsweise wenigstens das Zehnfache, einer Länge der beiden Schmalseiten 21.
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Im Beispiel der 1 bis 3 sind die Kühlkanäle 10 radial außerhalb der Statorwicklungen 6 im jeweiligen Zwischenraum 9 angeordnet. Der radiale Abstand der Kühlkanäle 10 zur Rotationsachse D des Rotors 3 ist also größer als jener der Statorwicklungen 6 zur Rotationsachse D. Denkbar ist aber auch eine Anordnung der Kühlkanäle 10 radial innen.
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Zur Herstellung einer elektrischen Maschine 1 gemäß den 1 bis 3 werden zunächst die durch Rohrkörper 16 bzw. Flachrohre 17 gebildeten Kühlkanäle 10 in die Zwischenräume 9 eingebracht. Anschließend wird die elektrische Isolation 15, beispielsweise aus Papier, in die Zwischenräume 9 eingesetzt. Danach werden die Statorwicklungen 6 auf den Statorzähnen 8 angeordnet und somit auch in die Zwischenräume 9 eingebracht und anschließend mit dem die Kunststoffmasse 11 ergebenden Kunststoff, beispielsweise einem Duroplasten, umspritzt. Im Zuge der Herstellung der Kunststoffmasse 11 kann auch der Statorkörper 7 mit dem die Kunststoffmasse 11 ergebenden Kunststoff, also insbesondere mit dem Duroplasten, umspritzt werden. Ebenso werden im Zuge des Spritzvorgangs der Kühlmittelverteiler 4 und der Kühlmittelsammler 5 hergestellt.
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Im Folgenden wird wieder auf die 1 Bezug genommen. Wie die 1 anschaulich belegt, kann die einstückig ausgebildete Kunststoffmasse 11 axial beidseitig aus den Zwischenräumen 9 herausragen. Dies erlaubt es, auch den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie, alternativ oder zusätzlich, den Kühlmittelsammlerraum 5 zur thermischen Ankopplung an axiale Endabschnitte 14a, 14b der jeweiligen Statorwicklung 6 in die Kunststoffmasse 11 einzubetten, die axial außerhalb des jeweiligen Zwischenraum 9 angeordnet sind. Mit anderen Worten, bei dieser Ausführungsvariante begrenzt die eine Kunststoffmasse 11 den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils zumindest teilweise.
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Auf diese Weise kann auch im Bereich der üblicherweise thermisch besonders belasteten axialen Endabschnitten 14 a, 14b der betreffenden Statorwicklung 6 ein effektiver Wärmeübergang an das im Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. Kühlmittelsammlerraum 5 vorhandene Kühlmittel K hergestellt werden. Diese Maßnahme erlaubt eine besonders effektive Kühlung der beiden axialen Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklung 6.
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Ferner ist gemäß 1 der Stator 2 mit dem Statorkörper 7 und den Statorzähnen 8 axial zwischen einem ersten und einem zweiten Lagerschild 25a, 25b angeordnet. Wie die 1 erkennen lässt, ist ein Teil des Kühlmittelverteilerraums 4 in dem ersten Lagerschild 25a und ein Teil des Kühlmittelsammlerraums 5 in einem zweiten Lagerschild 25b angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 wird also sowohl vom ersten Lagerschild 25a als auch von der Kunststoffmasse 11 begrenzt. Entsprechend wird der Kühlmittelsammlerraum 5 sowohl vom zweiten Lagerschild 25b als auch von der Kunststoffmasse 11 begrenzt.
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Der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 sind jeweils teilweise durch einen in der Kunststoffmasse 11 ausgebildeten Hohlraum 41a, 41b realisiert. Der erste Hohlraum 41a wird durch einen im ersten Lagerschild 25a ausgebildeten Hohlraum 42a zum Kühlmittelverteilerraum 4 ergänzt. Entsprechend wird der zweite Hohlraum 41b durch einen im zweiten Lagerschild 25b ausgebildeten Hohlraum 42b zum Kühlmittelsammlerraum 5 ergänzt.
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Im ersten Lagerschild 25a kann ferner eine Kühlmittelzuführung 35 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelverteilerraum 4 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in 1 dargestellt umfangsseitig, am ersten Lagerschild 25a vorgesehenen Kühlmitteleinlass 33 verbindet. Im zweiten Lagerschild 25b kann entsprechend eine Kühlmittelabführung 36 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelsammlerraum 4 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in 1 dargestellt umfangsseitig, am Lagerschild 25b vorgesehenen Kühlmitteleinlass 34 verbindet. Dies ermöglicht eine Anordnung des Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils radial außen am ersten bzw. zweiten Endabschnitt 14a, 14b der betreffenden Statorwicklung 6 und auch in der Verlängerung dieser Endabschnitte 14a, 14b entlang der axialen Richtung A. Die im Betrieb der Maschine 1 thermisch besonders belasteten Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6 können auf diese Weise besonders effektiv gekühlt werden.
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Gemäß 3 umfasst der Zwischenraum 9 einen ersten Teilraum 9c, in welchem die Statorwicklung 6 angeordnet ist, und einen zweiten Teilraum 9d, in welchem der Kühlkanal 10 angeordnet ist und welcher den ersten Teilraum 9c zum Zwischenraum 9 ergänzt. Wie die 3 und 4 erkennen lassen, kann zwischen den beiden Teilräumen eine Fixiereinrichtung 27 angeordnet sein, mittels welcher der Kühlkanal 10 im zweiten Teilraum 9d fixiert wird. Besagte Fixiereinrichtung 27 umfasst zwei Vorsprünge 28a, 28b, die an den beiden in der Umfangsrichtung U benachbarten und den Zwischenraum 9 begrenzenden Statorzähnen 8a, 8b ausgebildet sind. Die beiden Vorsprünge 28a, 28b sind einander in der Umfangsrichtung U zugewandt und ragen zur Fixierung des Kühlkanals in den Zwischenraum hinein. Die Vorsprünge 28a, 28b wirken für den als Rohrkörper 16 bzw. Flachrohr 17 ausgebildeten Kühlkanal 10 als radialer Anschlag, der eine unerwünschte Bewegung des Kühlkanals 10, insbesondere beim Herstellen der Spritzgussmasse(n) 11 bzw. 11a, 11b mittels Spritzgießens radial nach innen verhindert.
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Gemäß 1 kann die Kunststoffmasse 11 aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff auch auf einer Außenumfangsseite 30 des Statorkörpers 7 angeordnet sein und somit auf der Außenumfangsseite 30 eine Kunststoffbeschichtung 11.1 ausbilden. Somit kann der typischerweise aus elektrisch leitenden Statorplatten gebildete Statorkörper 7 des Stators 2 elektrisch gegen die Umgebung isoliert werden. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses zur Aufnahme des Statorkörpers 7 kann somit entfallen.
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Die 4 zeigt eine Variante des Beispiels der 1 in dem Längsschnitt entlang der Rotationsachse D des Rotors 3. Um auch die Rotorwelle 31 sowie die beiden Wellenlager 32a, 32b im Betrieb der Maschine 1 zu kühlen, kann die Kühlmittelzuführung 35 thermisch an das im ersten Lagerschild 25a angeordnete, erste Wellenlager 32a gekoppelt sein. Ebenso kann die Kühlmittelabführung 36 thermisch an das im zweiten Lagerschild 25b angeordnete, zweite Wellenlager 32b gekoppelt sein. Eine separate Kühleinrichtung zum Kühlen der Wellenlager 32a, 32b kann auf diese Weise entfallen, woraus sich Kostenvorteile ergeben. Im Beispiel der 4 sind der Kühlmitteleinlass 33 und der Kühlmittelauslass 34 an der äußeren Stirnseite 26a bzw. 26b des ersten bzw. zweiten Lagerschilds 25a, 25b vorgesehen. Bei der Variante gemäß den 4 und 1 sind die Statorwicklungen 6 bzgl. der radialen Richtung R radial innerhalb der Kühlkanäle 10 angeordnet. Die Statorwicklungen 6 sind mit einem elektrischen Anschluss 50 durch eine im zweiten Lagerschild 25b vorgesehene Durchführung 39 aus dem Stator 2 heraus nach außen geführt, so dass sie von außen elektrisch bestromt werden können. Die Durchführung 39 ist bzgl. der radialen Richtung R zwischen dem Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. dem Kühlmittelsammlerraum 5 und der Drehachse D angeordnet.
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Im Beispiel der 5, welche eine gegenüber der 4 vereinfachte Ausführungsform in einer Teildarstellung zeigt, sind der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 ausschließlich in der axialen Verlängerung der Kühlkanäle 10 angeordnet. Diese Variante benötigt für den Kühlmittelverteilerraum 4 und für den Kühlmittelsammlerraum 5 besonders wenig Bauraum. Bei der Variante gemäß 5 sind die Statorwicklungen 6 bzgl. der radialen Richtung R radial innerhalb der Kühlkanäle 10 angeordnet. Denkbar ist aber alternativ oder zusätzlich auch eine Anordnung radial außerhalb der Kühlkanäle 10. Die Statorwicklungen 6 sind mittels eines elektrischen Anschlusses 50 durch eine im zweiten Lagerschild 25b vorgesehene Durchführung 39 aus dem Stator 2 heraus nach außen geführt, so dass sie von außen elektrisch bestromt werden können. Die Durchführung 39 ist bzgl. der radialen Richtung R radial außerhalb des Kühlmittelverteilerraums 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 im zweiten Lagerschild 25b angeordnet.
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Im Beispiel der 6 ist eine Weiterbildung der 4 gezeigt. Bei dieser Weiterbildung umgibt der Kühlmittelverteilerraum 4 in dem in 6 dargestellten Längsschnitt entlang der Rotationsachse D den ersten axialen Endabschnitt 14a der jeweiligen Statorwicklung 6 U-förmig oder C-förmig, also entlang dessen unmittelbarer axialer Verlängerung, sowie radial innen und radial außen. Entsprechend umgibt der Kühlmittelsammlerraum 5 in dem Längsschnitt entlang der Rotationsachse D den zweiten axialen Endabschnitt 14b der jeweiligen Statorwicklung 6 U-förmig oder C-förmig, also entlang dessen axialer Verlängerung sowie radial innen und radial außen. Bei dieser Variante sind Kühlkanäle 10 sowohl radial innerhalb also auch radial außerhalb der Statorwicklung 6 vorgesehen. Somit sind die jeweiligen Statorwicklungen 6 einschließlich ihrer axialen Endabschnitte 14a, 14b über die Kühlkanäle 10 sowie über den Kühlmittelverteilerraum 4 und den Kühlmittelsammlerraum 5 in thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel K. Dies erlaubt eine effektive Kühlung der Statorwicklungen 6 einschließlich ihrer axialen Endabschnitte 14a, 14b, die im Betrieb der Maschine 1 thermisch besonderen Belastungen ausgesetzt ist.
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Besonders bevorzugt ist die gesamte Kunststoffmasse 11, also insbesondere die in den Zwischenräumen 9 zwischen den Statorzähnen 9 angeordnete und die den Kühlmittelverteilerraum 4 und den Kühlmittelsammlerraum 5 begrenzende Kunststoffmasse 11, einstückig ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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