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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine mit einer Hochleistungskühlung eine elektrische Maschine und ein Kraftfahrzeug.
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Die Leistung elektrischer Maschinen ist meist wesentlich durch deren thermische Grenzen limitiert. Neben der Hitzeverträglichkeit der verbauten Komponenten spielt die Kühlung der elektrischen Maschine eine entscheidende Rolle. Kurzzeitige Leistungsmaxima sind dabei wesentlich durch die Wärmekapazität der Leiter sowie anderer Wärmequellen, beispielsweise der Magnete, und deren Umgebung begrenzt. Die Dauerleistung wird durch die Kühlung limitiert. Gerade bei elektrischen Maschinen zum Antrieb von Sportwagen ist eine hohe Dauerleistung wünschenswert. Um dies zu erreichen sind Konzepte bekannt, bei denen direkt mit einer nicht-leitenden Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise synthetischem Öl, Statornuten in axialer Richtung durchströmt werden. Ferner sind auch hohle Leiter vorgestellt, welche in Statornuten angeordnet und von Kühlflüssigkeit durchströmt sind. Diese beiden Kühlvarianten scheinen tatsächlich gute Kühlleistungen zu vollbringen, weisen aber einige entscheidende Nachteile auf. So kann der nötige Druck, um die Kühlflüssigkeit mit einer Pumpe (oder gar Kompressor) durch enge Kanäle entlang oder durch die Leiter zu transportieren, enorm groß werden, da er mit 1/Kanaldurchmesser4 ansteigt. Dies erzeugt eine erhöhte Leckgefahr und benötigt Leistung, welche vorzugsweise dem Antrieb des Kraftfahrzeugs zugutekommen sollte. Weiterhin benötigt die Pumpe zum Pumpen der Kühlflüssigkeit wertvollen Bauraum. Die Kühlflüssigkeit muss in die Kanäle eingekoppelt werden, ohne elektrische Verbindungen zu behindern. Dabei muss die Einkopplung der Kühlflüssigkeit für die hohen Drücke dicht sein, darf nicht altern und muss die Anforderungen bezüglich Vibrationstoleranz im Automobilbau erfüllen. Schließlich steigen die Fertigungskomplexität und der Fertigungsaufwand unverhältnismäßig an, was mit deutlich erhöhten Kosten verbunden ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stator für bereitzustellen, welche die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern die Möglichkeit bietet, ohne die Notwendigkeit des Pumpens von Kühlflüssigkeit, Wärme aus dem Inneren des Stators abzuführen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator ein Statorblechpaket mit in axialer Richtung angeordneten Statornuten aufweist, wobei in den Statornuten Leiterstäbe angeordnet sind, wobei jeweils zwei Leiterstäbe an einer ersten Stirnseite des Stators mit jeweils einer Spange zu einem Hair-Pin-Element verbunden sind, wobei ein erster Wickelkopf des Stators die Spangen aufweist, wobei die Hair-Pin-Elemente an einer zweiten Stirnseite des Stators in einem zweiten Wickelkopf zu einer Statorwicklung gebogen und verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hair-Pin-Element einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum aufweist.
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Der erfindungsgemäße Stator ermöglicht es, dass durch den hermetisch abgeschlossenen Hohlraum Wärme von einer Stelle des Hohlraumes an eine andere Stelle des Hohlraumes transportiert werden kann. Durch den hermetischen Abschluss des Hohlraumes ist es möglich, dass ein sich im Hohlraum befindliches Medium zum Wärmetransport den Hohlraum nicht verlässt, sondern durch einen Temperaturgradienten entlang des Hohlraumes zur Bewegung durch den Hohlraum angeregt wird. Möglich ist dabei, dass das Medium an einer Stelle des Hohlraumes mit einer hohen Temperatur Wärme aufnimmt und an einer Stelle des Hohlraumes mit einer niedrigen Temperatur Wärme abgibt. Dadurch ist eine Hochleistungskühlung realisierbar. Denkbar ist, dass der erste Wickelkopf und/oder der zweite Wickelkopf eine Kühleinrichtung zum Kühlen des jeweiligen Wickelkopfes aufweisen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Hair-Pin-Elemente des Stators jeweils einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum aufweisen, wobei vorzugsweise alle Hair-Pin-Elemente des Stators jeweils einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum aufweisen. Dies ermöglicht eine hoch-effektive Kühlung des Stators. Je mehr Hair-Pin-Elemente einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum aufweisen, desto größer ist der mögliche Wärmefluss. Vorzugsweise sind die Hair-Pin-Elemente, welche einen hermetischen Hohlraum aufweisen, gleichmäßig zueinander beabstandet angeordnet. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Kühlung des Stators.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hohlraum eine Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei die Haupterstreckungsrichtung in axialer Richtung angeordnet ist, wobei der Hohlraum bevorzugt zumindest teilweise entlang des Leiterstabes angeordnet ist, wobei der Hohlraum besonders bevorzugt in zumindest Teilen des ersten Wickelkopfes und/oder in zumindest Teilen des zweiten Wickelkopfes angeordnet ist. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise, dass Wärme aus dem unzugänglichen Inneren des Stators hin zu den Wickelköpfen abgeführt wird, welche einer Kühlung, beispielsweise durch Besprühen mit einer Kühlflüssigkeit, Ventilieren mit einem Gasstrom, Wärmeabführung durch wärmeleitende Elemente, sehr gut zugänglich sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Hohlraum ein erstes Medium und ein zweites Medium unter einem Druck angeordnet sind, wobei das erste Medium unter Raumtemperatur und unter dem Druck zumindest teilweise in einer flüssigen Phase vorliegt und das zweite Medium unter Raumtemperatur und unter dem Druck zumindest teilweise in einer gasförmigen Phase vorliegt. Dies ermöglicht es auf vorteilhafte Weise, die Hair-Pin-Elemente ähnlich einem Wärmerohr zu nutzen. In heißen Bereichen des Hair-Pin-Elementes wird das erste Medium von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase verdampft. Die gasförmige Phase des ersten Mediums gelangt in kühlere Bereiche und kondensiert. Somit transportiert das erste Medium Wärme aus heißen Bereichen in kühlere Bereiche. Denkbar ist, dass das erste Medium und das zweite Medium unterschiedliche stoffliche Zusammensetzungen aufweisen, also unterschiedliche Chemikalien oder unterschiedliche Kompositionen aus Chemikalien sind. Denkbar ist aber auch, dass das erste Medium und das zweite Medium gleiche stoffliche Zusammensetzungen aufweisen, dass das zweite Medium also das erste Medium in gasförmiger Phase ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Medium, zumindest in seiner flüssigen Phase, elektrisch leitend ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch die Leitfähigkeit des Hair-Pin-Elementes insgesamt verbessert und dadurch die Effizienz des Stators und damit der elektrischen Maschine erhöht wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Medium Wasser aufweist, wobei dem Wasser vorzugsweise zusätzliche Ionen beigegeben sind. Mit der Konzentration der zusätzlich beigegebenen Ionen kann auf vorteilhafte Weise über die Siedetemperatur der Arbeitstemperaturbereich der Kühlung durch das erste Medium eingestellt werden. Ferner dienen die zusätzlich beigegebenen Ionen der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Medium, das zweite Medium und der Druck so sind, dass das erste Medium bei einer Arbeitstemperatur zumindest teilweise in seiner flüssigen Phase vorliegt, wobei die Arbeitstemperatur mindestens 100 °C, bevorzugt mindestens 150 °C und besonders bevorzugt mindestens 180 °C ist. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, einen unter höchsten Anforderungen an seine Dauerleistung betriebenen Stator einer elektrischen Maschine zu betreiben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hohlraum auf seiner Innenwand eine geometrische Struktur aufweist, wobei die Struktur vorzugsweise eine Oberflächenrauheit und/oder eine Oberflächenriffelung und/oder eine Drahtspirale und/oder eine Schicht aus Metallwolle und/oder eine Salzschicht aufweist. Die geometrische Struktur wirkt auf vorteilhafte Weise als Kondensationskeime und erleichtert damit die Erzeugung eines Zweiphasensystems, also dem Vorhandensein einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase im Hohlraum.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Wickelkopf und/oder der zweite Wickelkopf in einen Verguss eingegossen sind, wobei der Verguss bevorzugt ein Epoxyd-Verguss ist, wobei dem Verguss besonders bevorzugt Keramikpartikel, insbesondere Al2O3 und/oder TiO2 und/oder ZnO und/oder ZrO2 beigemischt sind. Durch den Verguss werden die Wickelköpfe auf vorteilhafte Weise stabilisiert und elektrisch isoliert. Gleichzeitig ist der Epoxyd-Verguss thermisch leitend, so dass Wärme von den Wickelköpfen abgeführt werden kann. Das Beimischen von Keramikpartikeln, insbesondere von Partikeln aus Al2O3 und/oder TiO2 und/oder ZnO und/oder ZrO2 verbessert die thermische Leitfähigkeit des Vergusses weiterhin.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator ein Statorgehäuse aufweist, wobei der Verguss thermisch an das Statorgehäuse gekoppelt ist. Damit ist es vorteilhaft möglich, dass Wärme an das Statorgehäuse abgeführt wird. Das Statorgehäuse kann vorteilhaft einfach gekühlt werden. Denkbar ist, dass dazu beispielsweise Kühlrippen und/oder ein Wärmetauscher vorgesehen sind.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist eine elektrische Maschine aufweisend einen erfindungsgemäßen Stator.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug aufweisend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Alle zuvor offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich sowohl auf den erfindungsgemäßen Stator, auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine als auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch einen Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 (a) bis (d) illustrieren schematisch jeweils einen Leiterstab eines Stators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist schematisch ein Stator 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Stator 1 weist ein Statorblechpaket 2 mit in axialer Richtung A verlaufenden Statornuten 3 auf. In den Statornuten 3 sind Leiterstäbe 4 angeordnet, von denen jeweils zwei Stück an einer ersten Stirnseite 1.1 des Stators 1 mit Spangen 5 zu sogenannten Hair-Pin-Elementen 40 verbunden sind. Die Spangen 5 bilden einen ersten Wickelkopf 6.1. An einer zweiten Stirnseite 1.2 sind die Hair-Pin-Elemente 40 zu einer Statorwicklung gebogen und verschweißt. Die Leiterstäbe 4 weisen in der hier gezeigten Ausführungsform einen rechteckigen Querschnitt auf. Im Inneren der Leiterstäbe 4 befindet sich ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum 7 (hier nicht gezeigt, siehe 2), welcher mit einem ersten Medium und einem zweiten Medium unter einem Druck gefüllt ist und welcher sich in axialer Richtung A nahezu über die gesamte Länge der Leiterstäbe 4 zieht. Bei Temperaturen bis 180 °C liegt das erste Medium teilweise in einer flüssigen Phase vor. Werden die Leiterstäbe 4 beim Betrieb des Stators 1 in Inneren des Stators 1 heiß, so verdampft das erste Medium an den heißen Stellen und kondensiert wieder an Stellen, welche weniger heißt sind. Dies wird durch eine geometrische Struktur 8 entlang der Innenwände des Holhraumes 7 unterstützt. Durch das Verdampfen an den heißen Stellen und das Kondensieren an den weniger heißen Stellen wird Wärme transportiert. Im Betrieb des Stators 1 geschieht dieser Transport aus der Mitte des Stators 1 hin zu den Wickelköpfen 6.1, 6.2.. Die Wickelköpfe 6.1, 6.2, sind in einen Epoxyd-Verguss eingegossen, welchem Keramikpartikel beigegeben wurden. Über den Epoxyd-Verguss sind die Wickelköpfe 6.1, 6.2 thermisch an ein hier nicht dargestelltes Statorgehäuse angebunden. Die Wärme aus dem Inneren des Stators 1 kann so vorteilhaft an das Statorgehäuse abgeführt werden.
Das erste Medium ist in der hier dargestellten Ausführungsform Wasser, welchem zusätzliche Ionen beigefügt wurden. Mit den beigefügten Ionen wurde der Siedepunkt des ersten Mediums so angepasst, dass es unter dem im Hohlraum herrschenden Druck bei einer Temperatur von 180 °C zumindest teilweise in einer flüssigen Phase vorliegt. Weiterhin erhöhen die zusätzlich beigefügten Ionen die Leitfähigkeit des Wassers und sorgen so die Effizienz des Stators.
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2 (a) bis (d) illustrieren schematisch jeweils einen Leiterstab 4 eines Stators 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dargestellt sind jeweils Schnitte durch unterschiedliche Leiterstäbe 4 in perspektivischer Ansicht. Die gezeigten Leiterstäbe 4 weisen einen runden Querschnitt auf und sind aus Kupfer gefertigt. Zu erkennen sind der Hohlraum 7 und die geometrische Struktur 8 in jeweils unterschiedlichen Ausführungen. Die geometrische Struktur 8 wirkt als Kondensationskeime und unterstützt die Kondensation des ersten Medium im Betrieb des Stators 1. 2 (a) zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Leiterstab 4 mit einer Oberflächenriffelung als geometrische Struktur 8. Die Oberflächenriffelung ist hier als eine Rillung in axialer Richtung ausgeführt. In 2 (b) ist schematisch ein Schnitt durch einen Leiterstab 4 mit einer Sinteroberfläche als geometrischer Struktur 8 gezeigt. Die Sinteroberfläche ist sehr rau und grobkörnig. 2 (c) zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Leiterstab 4 mit einer porösen Innenwandung als geometrische Struktur 8. Die gezeigte poröse Innenwandung ist eine Salzschicht. Denkbar ist aber auch, dass die poröse Innenwandung aus einem Metalloxid gefertigt ist. Weiterhin ist denkbar, dass die poröse Innenwandung ein Metallschaum ist. In 2 (d) ist schematisch ein Schnitt durch einen Leiterstab 4 mit einem auf der Innenwand des Hohlraumes 7 angeordneten Metallnetz als geometrischer Struktur 8 gezeigt. Denkbar ist auch, dass Metallwolle auf der Innenwand des Hohlraumes 7 als geometrische Struktur 8 angeordnet ist.
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3 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer elektrischen Maschine 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
