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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem Statorkern, mit einer Statorwicklung, die an mindestens einer Stirnseite des Statorkerns zu Bildung eines Wickelkopfs aus dem Statorkern hervorsteht, und mit einem hohlzylinderförmigen Vergusselement, das an dem Wickelkopf angeordnet ist.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Vergusselements für einen Stator einer elektrischen Maschine wird in der
DE 10 2017 011 828 A1 beschrieben. Bei diesem Stator bildet die an den Stirnseiten des Statorkern aus diesem hervorstehende Statorwicklung jeweils einen Wickelkopf. Zum Schutz des Wickelkopfs vor mechanischen Einwirkungen sowie zur elektrischen Isolation ist der der Wickelkopf mit einem Vergusselement vergossen, welches eine hohlzylindrische Form aufweist.
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Während des Betriebs wird der Wickelkopf von einem Kühlmedium umströmt. Um die Strömung dieses Kühlmediums beeinflussen zu können, sind an dem Vergusselement Strömungskanäle ausgebildet. Das Vergusselement ist von einer Kappe umschlossen, in der eine Eintrittsbohrung für das Kühlmedium sowie eine -Austrittsbohrung vorgesehen sind. Hierdurch ergibt sich der Nachteil, dass das Kühlmedium lediglich zur Kühlung des Wickelkopfs nicht aber des Statorkerns beiträgt. Hierdurch kann es zu unerwünscht hohen Temperaturen im Bereich des Statorkerns kommen, welche die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine beeinflussen können.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, Temperaturüberhöhungen sowohl im Bereich des Wickelkopfs als auch im Bereich des Statorkerns zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem Statorkern, mit einer Statorwicklung, die an mindestens einer Stirnseite des Statorkerns zu Bildung eines Wickelkopfs aus dem Statorkern hervorsteht, und mit einem hohlzylinderförmigen Vergusselement, das an dem Wickelkopf angeordnet ist, wobei an einer äußeren Mantelfläche des Vergusselements mehrere erste Strömungsleitelemente angeordnet sind, welche eine Haupterstreckungsrichtung aufweisen, die schräg zu einer Zylinderlängsachse des hohlzylinderförmigen Vergusselements angeordnet ist.
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Die an der äußeren Mantelfläche des Vergusselements angeordneten Strömungsleitelemente können eine Strömung eines Kühlmediums mit einer Komponente in Richtung des Umfangs des Vergusselements bewirken. Hierdurch kann das Kühlmedium gleichmäßiger über den Umfang des Wickelkopfs verteilt werden. Die schräge Ausrichtung der Strömungsleitelemente gegenüber der Zylinderlängsachse des hohlzylinderförmigen Vergusselements kann zudem eine gleichmäßigere Anströmung des Statorkerns bewirken. Folglich kann das Risiko, dass sich dem erfindungsgemäßen Stator Temperaturüberhöhungen im Bereich des Wickelkopfs oder im Bereich des Statorkern bilden, reduziert werden.
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Bevorzugt ist das Vergusselement an dem Wickelkopf derart angeordnet, dass das Vergusselement den Wickelkopf nahezu vollständig umschließt. Auf diese Weise kann der Wickelkopf gegen unerwünschte mechanische Beeinträchtigungen geschützt und elektrisch isoliert werden. Ferner ist es möglich, den Wickelkopf mit einem Kühlmedium zu umströmen. Das Vergusselement ist bevorzugt aus einem Epoxidharz gebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die ersten Strömungsleitelemente einen gekrümmten Verlauf auf.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die ersten Strömungsleitelemente als aus der äußeren Mantelfläche hervorstehende Erhebungen ausgebildet sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die ersten Strömungsleitelemente als Vertiefungen in der äußeren Mantelfläche ausgebildet sind.
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Vorteilhaft ist es, wenn die ersten Strömungsleitelemente einstückig mit einem hohlzylindrischen Grundkörper des Vergusselements ausgebildet sind, so dass es nicht erforderlich ist, separat bereitgestellte Strömungsleitelemente mit dem Grundkörper zu verbinden. Bevorzugt sind die Strömungsleitelemente mit dem Grundkörper in einem gemeinsamen Gießprozess gebildet, wodurch der Aufwand zum Zusammenbau des Stators reduziert werden kann.
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Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die ersten Strömungsleitelemente als separate Strömungsleitteile ausgebildet sind, die mit einem hohlzylindrischen Grundkörper des Vergusselements verbunden, insbesondere vergossen, sind.
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In diesem Zusammenhang ist vorteilhaft, wenn die ersten Strömungsleitelemente einen Verbindungsbereich aufweisen, der innerhalb des Grundkörpers angeordnet ist. Der Verbindungsbereich der separaten Strömungsleitteile kann beim Gießprozess in den Grundkörper eingebracht werden, um diesen mit dem Grundkörper zu verbinden.
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Alternativ können die ersten Strömungsleitelemente nach Abschluss des Gießprozesses mit dem Grundkörper des Vergusselements verbunden worden sein. Bevorzugt sind die Strömungsleitelemente mit dem Grundkörper verklebt.
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Weiter alternativ ist es möglich, dass die ersten Strömungsleitelemente als separate Strömungsleitteile ausgebildet sind, die an den Grundkörper angegossen sind. Insofern können die ersten Strömungsleitelemente in einem zweiten Gießprozess erzeugt worden sein, der sich an einen ersten Gießprozess zum Erzeugen des Grundkörpers des Vergusselements anschließt. Dieses Vorgehen bieten den Vorteil, dass die ersten Strömungsleitelemente aus einem Material ausgebildet werden können, dass sich von dem Material des Grundkörpers unterschiedet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass an einer Stirnfläche des Vergusselements zweite Strömungsleitelemente angeordnet sind. Die zweiten Strömungsleitelemente können das Strömungsverhalten des Kühlmediums im Bereich der Stirnfläche des Vergusselementes beeinflussen.
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Bevorzugt sind die zweiten Strömungsleitelemente auf einer Stirnfläche des Vergusselementes angeordnet sind, die von dem Statorkern abgewandt ist. Somit kann eine Strömung des Kühlmediums beeinflusst werden, die die dem Statorkern abgewandte Seite des Vergusselements anströmt und dann über die äußere Mantelfläche des Vergusselementes in Richtung des Statorkerns strömt.
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Bevorzugt weisen die zweiten Strömungsleitelemente einen gekrümmten Verlauf auf. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die zweiten Strömungsleitelemente spiralförmig verlaufend angeordnet sind.
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Ferner können die im Zusammenhang mit den ersten, an der Mantelfläche angeordneten Strömungsleitelementen beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen alternativ oder zusätzlich bei den zweiten Strömungsleitelementen allein oder in Kombination Anwendung finden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die zweiten Strömungsleitelemente eine Haupterstreckungsrichtung auf, die schräg zu einer Radialrichtung des hohlzylinderförmigen Vergusselements angeordnet ist, wobei die Radialrichtung senkrecht zu der Zylinderlängsachse angeordnet ist. Hierdurch kann die Anströmung des Statorkerns noch weiter vergleichmäßigt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich die ersten Strömungsleitelemente und die zweiten Strömungsleitelemente nicht berühren. Insofern können zwischen den ersten und den zweiten Strömungsleitelementen Bereiche gebildet sein, die von dem Kühlmedium durchströmbar sind.
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Bevorzugt ist ferner eine Ausgestaltung, bei der die ersten Strömungsleitelemente in einer Umfangsrichtung des Vergusselemente beabstandet voneinander angeordnet sind und die zweiten Strömungsleitelemente in einer Umfangsrichtung des Vergusselements beabstandet voneinander angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Statorwicklung mehrere Wicklungselemente auf, die im Bereich des Wickelkopfs über eine Schweißverbindung miteinander verbunden sind. Die Schweißverbindungen könne durch das Vergusselement wirksam gegen mechanische Einwirkungen geschützt werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Maschine, insbesondere ein Spaltrohrmotor, mit einem vorstehend beschriebenen Stator.
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Die elektrische Maschine kann einen drehbar gegenüber dem Stator angeordneten Rotor aufweisen, der bevorzugt koaxial innerhalb des Stators angeordnet ist.
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Bevorzugt ist der Stator in einem Statorgehäuse der elektrischen Maschine angeordnet, welche einen Kühlmediumeinlass aufweist, welcher derart angeordnet ist, dass ein Kühlmedium in einer Umfangsrichtung in das Statorgehäuse einleitbar ist, die senkrecht zu der Zylinderlängsachse und schräg zu einer Radialrichtung angeordnet ist.
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Bei der elektrischen Maschine können alternativ oder zusätzlich die im Zusammenhang mit dem Stator beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale allein oder Kombination Anwendung finden.
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Weiter Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeilspiel der Erfindung in einer Schnittdarstellung;
- 2 den Bereich des Wickelkops des Stators der elektrischen Maschine aus 1 in einer Seitenansicht; und
- 3 das Vergusselement des Stators nach 2 in einer perspektivischen Darstellung.
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In der 1 ist eine als Spaltrohrmotor ausgestaltete elektrische Maschine 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 mit einem Statorgehäuse 3. Innerhalb des Statorgehäuses 3 ist ein Statorkern 4 angeordnet, der beispielsweise aus einem Blechpaket gebildet sein kann und eine im Wesentlichen hohlzylindrische Gestalt hat. Der Statorkern 4 umfasst eine Vielzahl an Nuten, in welche eine Statorwicklung 5 eingebracht ist. An den Stirnseiten des Statorkerns 4 steht die Statorwicklung 5 aus dem Statorkern hervor und bildet jeweils einen Wickelkopf 6. Die Statorwicklung 5 kann beispielswiese als Hairpin-Wicklung ausgebildet sein, d.h. sie ist aus einer Vielzahl im Wesentlichen U-förmiger Drähte gebildet, die von einer ersten Stirnseite 4.1 aus in die Nuten des Statorkerns 4 eingebracht worden sind. Auf einer der ersten Stirnseite 4.1 gegenüberlidenten zweiten Stirnseite 4.2 des Statorkerns 4 stehen diese Drähte aus dem Statorkern 4 hervor und sind über Schweißverbindungen verbunden. Zum Schutz dieser Schweißverbindungen ist um den Wickelkopf 6 an der zweiten Stirnseite 4.2 ein Vergusselement 7 angeordnet, welche in einem Gießverfahren gebildet worden ist. Das Vergusselement 7 ist beispielsweis aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet.
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Innerhalb des hohlzylindrischen Statorkerns 4 ist ein Rotor 8 angeordnet, der gegenüber dem Stator 2 um eine Drehachse D drehbar gelagert ist. Der Rotor 8 ist drehfest mit einer Maschinenwelle 9 verbunden.
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In dem Statorgehäuse 3 ist ein Kühlmediumeinlass 10 vorgesehen, welcher derart angeordnet ist, dass ein Kühlmedium in einer Umfangsrichtung U in das Statorgehäuse 3 eingeleitet werden kann. Diese Umfangsrichtung U steht senkrecht zu einer Zylinderlängsachse L des Vergusselements, bzw. zu der Drehachse D der elektrischen Maschine 1, und schräg zu einer Radialrichtung R von Vergusselement 7 bzw. elektrischer Maschine 1. Das über den Kühlmediumeinlass 10 eingeleitete Kühlmedium umströmt das Vergusselement 7 in Richtung des Statorkerns 4. Insofern strömt das Kühlmedium die zweite Stirnseite 4.2 de Statorkerns 3 an. Das Kühlmedium durchströmt den Statorkern 4, insbesondere in der Darstellung nicht gezeigte Nuten des Statorkerns 4, in einer Strömungsrichtung S, die parallel zu der Drehachse D der elektrischen Maschine 1 angeordnet ist. Auf der gegenüberliegenden, ersten Stirnseite 4.1 tritt das Kühlmedium aus dem Statorkern 4 aus und wird durch einen Kühlmittelauslass 11 aus dem Statorgehäuse 3 geleitet.
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Wie in der 2 erkennbar ist, befinden sich an einer äußeren Mantelfläche 7.1 des Vergusselements 7 mehrere erste Strömungsleitelemente 12. Diese ersten Strömungsleitelemente 12 weisen eine Haupterstreckungsrichtung H auf, die schräg zu der Zylinderlängsachse L des hohlzylinderförmigen Vergusselements 7 angeordnet ist. Das heißt, dass die Haupterstreckungsrichtung H der ersten Strömungsleitelemente 12 einen Winkel mit einer Parallelen zur Zylinderlängsachse L einschließt, der ungleich 90° ist. Die Strömungsleitelemente 12 sind gebogen ausgebildet und weisen einen flügelartigen Querschnitt auf.
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Bevorzugt sind die ersten Strömungsleitelemente 12 einstückig mit einem hohlzylindrischen Grundkörper des Vergusselements 7 ausgebildet. Dieser kann beispielsweise aus einem Epoxidharz gebildet sein. Derartige einstückig mit dem Grundkörper ausgebildete Strömungsleitelemente 12 können beispielsweise in einem gemeinsamen Gießvorgang zusammen mit dem Grundkörper hergestellt werden. Hierzu kann eine Gussform verwendet werden, die eine Negativform sowohl des Grundkörpers als auch der ersten Strömungsleitelemente 12 darstellt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die ersten Strömungsleitelemente 12 als separate Strömungsleitteile ausgebildet sind, die mit dem hohlzylindrischen Grundkörper des Vergusselements 7 verbunden sind. Eine solche Verbindung kann beispielsweise während eines Gießvorgangs zur Herstellung des Vergusselementes 7 erfolgen. Hierzu können die ersten Strömungsleitelemente 12 einen Verbindungsbereich aufweisen, der innerhalb des Grundkörpers angeordnet ist. Dieser Verbindungsbereich wird beim Gießen des Vergusselementes 7 von dem Material des Grundkörpers umgossen. Weiter alternativ können die ersten Strömungsleitelemente 12 mit dem Grundkörper verklebt sein. Eine weitere Alternative sieht vor, dass die ersten Strömungsleitelemente 12 an den Grundkörper angegossen sind, beispielsweise durch einen zweiten Gießvorgang, der sich an die Herstellung des Vergusselements 7 anschließt.
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In der 3 ist eine perspektivische Detaildarstellung des Vergusselements 7 aus 2 dargestellt. Es ist erkennbar, dass das Vergusselement zusätzlich zu den an der Mantelfläche 7.1 angeordneten ersten Strömungsleitelementen 12 an einer Stirnfläche 7.2 zweite Strömungsleitelemente 13 aufweist. In der Einbaulage des Vergusselements 7 in dem Stator 2 ist diese Stirnfläche 7.2 dem Statorkern 4 abgewandt angeordnet.
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Die zweiten Strömungsleitelemente 13 haben eine Haupterstreckungsrichtung I, die schräg zur Radialrichtung R des hohlzylinderförmigen Vergusselements 7 angeordnet ist. Die zweiten Strömungsleitelemente 13 sind getrennt von den ersten Strömungsleitelementen 12 ausgebildet. Die zweiten Strömungsleitelemente 13 berühren sich weder untereinander noch berühren sie eines der ersten Strömungsleitelemente 12.
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Die zweiten Strömungsleitelemente 13 sind bevorzugt einstückig mit dem hohlzylindrischen Grundkörper des Vergusselements 7 ausgebildet. Sie können also in einem gemeinsamen Gießvorgang zusammen mit dem Grundkörper und den ersten Strömungsleitelementen 12 hergestellt werden. Hierzu kann eine Gussform verwendet werden, die eine Negativform sowohl des Grundkörpers als auch der ersten und zweiten Strömungsleitelemente 12, 13 darstellt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die zweiten Strömungsleitelemente 13 als separate Strömungsleitteile ausgebildet sind, die mit dem hohlzylindrischen Grundkörper des Vergusselements 7 verbunden sind. Eine solche Verbindung kann beispielsweise während eines Gießvorgangs zur Herstellung des Vergusselementes 7 erfolgen. Hierzu können die zweiten Strömungsleitelemente 13 einen Verbindungsbereich aufweisen, der innerhalb des Grundkörpers angeordnet ist. Dieser Verbindungsbereich wird beim Gießen des Vergusselementes 7 von dem Material des Grundkörpers umgossen. Weiter alternativ können die zweiten Strömungsleitelemente 13 mit dem Grundkörper verklebt sein. Eine weitere Alternative sieht vor, dass die zweiten Strömungsleitelemente 13 an den Grundkörper angegossen sind, beispielsweise durch einen zweiten Gießvorgang, der sich an die Herstellung des Vergusselements 7 anschließt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017011828 A1 [0002]
