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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, mit einem Maschinengehäuse enthaltend einen Stator mit einer Wicklung umfassend eine Mehrzahl an einer oder mehreren Phasen zugeordneten Leitern, die untereinander verschaltet sind, sowie einen außerhalb der Wicklung angeordneten Stromanschluss, der eine der Anzahl der Phasen entsprechende Anzahl an Leitungsabschnitten aufweist, die einerseits mit den Leitern und andererseits mit Phasenanschlüssen verbunden sind oder solche bilden.
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Elektrische Maschinen umfassend einen Rotor und einen Stator kommen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen zum Einsatz. Lediglich exemplarisch ist die Verwendung von elektrischen Maschinen für elektrische Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge oder für Nabenantriebe zu nennen. Wird eine solche elektrische Maschine als Antriebsmaschine verwendet, ist sie zumeist als Innenläufer ausgeführt, das heißt, dass der Stator den innenliegenden Rotor umgibt. Über den Stator wird ein wanderndes Magnetfeld erzeugt, über das die Rotation des Rotors erwirkt wird. Hierzu weist der Stator eine Wicklung auf, bestehend aus einer Vielzahl an Leitern, wobei die Leiter einer oder üblicherweise mehreren Phasen zugeordnet sind.
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Nicht nur die Anzahl der Phasen geht in die Auslegung der Wicklungsgeometrie ein, sondern auch die Anzahl der Drähte pro Phase sowie die Anzahl der Drähte pro Nut innerhalb der Statorverzahnung und die Anzahl der Polpaare. Durch diese Vielzahl an Leitern und Wickelparametern entsteht ein komplexes Geflecht an Leitern, das in unterschiedlichen Wicklungstechnologien aufgebaut wird. Zu nennen sind beispielsweise die sogenannte Hairpin- oder Stabwellenwicklung. Hierbei werden die Leiter mittels U-förmig gebogener Stäbe, die zur Bildung eines Wicklungskorbes zusammengesteckt werden, gebildet. Die Leiter sind auf einer Mehrzahl an Radialebenen verlegt, wobei die Leiter quasi von Ebene zu Ebene wandern. Sie sind zur Bildung quasi mäanderförmiger, umlaufender Leiter an ihren Enden entsprechend zu verbinden, was üblicherweise durch Verschweißen der Leiterenden, die benachbart zueinander liegen, erfolgt. Die Leiterenden laufen an einem Punkt respektive an einer Wicklungsseite in Form des sogenannten Sterns zusammen, wo sie miteinander verbunden werden. In diesem Bereich ist auch die Anbindung der einzelnen Phasen an eine externe Stromversorgung, also einen Stromanschluss, die respektive der zur Erzeugung des Magnetfelds dient, vorzunehmen, was oft aus Bauraumgründen nur sehr kompliziert zu realisieren ist. Über diese Stromversorgung respektive den Stromanschluss werden folglich die einzelnen Phasen der Wicklung mit Strom versorgt, um das wandernde Magnetfeld zu erzeugen.
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Ein zentraler Aspekt bei der Konzeptionierung einer elektrischen Maschine respektive insbesondere auch der Auslegung im Wicklungsbereich ist die Kühlung des Systems selbst. Denn je effizienter gekühlt werden kann, desto effizienter ist das Gesamtsystem. In erster Linie sollen etwaige Leistungsverluste durch eine geeignete Konstruktion minimiert werden. Jedoch ist es oftmals nicht ausreichend, diese durch eine geeignete Konstruktion zu reduzieren oder minimieren, so dass eine aktive Direktkühlung erforderlich ist.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine elektrische Maschine mit einer verbesserten Kühlung anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer elektronischen Maschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leitungsabschnitte zumindest abschnittsweise in einem Anschlussgehäuse aufgenommen sind, das einen von den Leitungsabschnitten durchgriffenen Hohlraum aufweist, der nach Einsetzen des Leitungsgehäuses in das Maschinengehäuse mit einem dort vorgesehenen Kühlmittelkanal kommuniziert, so dass ein im Kühlmittelkanal strömendes Kühlmitteln den Hohlraum durchströmt.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist, bevorzugt zusätzlich zu einer grundsätzlichen Kühlung der Maschine, eine aktive Kühlung der Phasenanschlüsse des Stromanschlusses, also des Hochvolt-Terminals, vorgesehen. Der Stromanschluss respektive das HV-Terminal weist eine üblicherweise der Anzahl der verschiedenen Phasen entsprechende Anzahl an Leitungsabschnitten auf, beispielsweise entsprechende Busbars oder Ähnliches auf, die an einem Ende den Eingangsanschluss aufweisen, und die mit ihrem anderen Ende entweder direkt oder über geeignete Verbindungsleiter mit den entsprechenden, phasenbezogenen Leitern der Wicklung verbunden sind. Das heißt, dass der Betriebsstrom, der zur Erzeugung des Magnetfelds und damit zum Betrieb der elektrischen Maschine benötigt wird, über diese Leitungsabschnitte fließt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, diese Leitungsabschnitte zumindest abschnittsweise direkt zu kühlen, also eine zusätzliche Wärmesenke im gesamten Leitungszug zu realisieren.
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Zu diesem Zweck sind erfindungsgemäß die Leitungsabschnitte zumindest abschnittsweise in einem Anschlussgehäuse aufgenommen, beispielsweise einem einfachen Kunststoffgehäuse, in das sie entsprechend integriert sind und endseitig mit entsprechenden Anschlussabschnitten zur weiteren Kontaktierung mit dem Stromeingang respektive den Wicklungsleitern hervorragen. Dieses Anschlussgehäuse, in das die Leitungsabschnitt, also die Busbars, oder dergleichen, beispielsweise eingegossen oder eingespritzt sind, weist nun einen Hohlraum auf, der von den Leitungsabschnitten durchgriffen ist, das heißt, dass diese frei durch den Hohlraum laufen. In der Montagestellung ist das Anschlussgehäuse zumindest abschnittsweise in eine entsprechende Aufnahme des Maschinengehäuses eingesetzt. Das Maschinengehäuse selbst weist wenigstens einen Kühlmittelkanal auf. Dieser Kühlmittelkanal kommuniziert nun nach dem Einsetzen des Anschlussgehäuses mit dem Hohlraum, so dass ein im Kühlmittelkanal strömendes oder zirkulierendes Kühlmittel zwangsläufig auch durch den Hohlraum läuft und mithin in Kontakt mit den Leitungsabschnitten kommt, diese dabei kühlend. Das heißt, dass das Anschlussgehäuse am Maschinengehäuse so integriert wird, dass es in den bestehenden Kühlmittelkreislauf integriert wird, um demzufolge eine Kühlung der Leitungsabschnitte möglich ist.
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Wie beschrieben sind die Leitungsabschnitte bevorzugt in dem Anschlussgehäuse vergossen und der Hohlraum ist in dem Verguss ausgebildet. Dies stellt auf einfache Weise sicher, dass der Hohlraum zum Anschlussgehäuse hin dicht ist. Alternativ wäre es natürlich auch denkbar, die Leitungsabschnitte separat in einem Gehäusebauteil zu verlegen und den Hohlraum entsprechend abzudichten.
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Zur Anordnung am Maschinengehäuse ist am Maschinengehäuse bevorzugt ein Aufnahmeraum für das Anschlussgehäuse ausgebildet, wobei der Kühlmittelkanal in dem Aufnahmeraum mit einem Eingang und einem Ausgang mündet, und wobei ein Eingang und ein Ausgang des Hohlraums des Anschlussgehäuses nach Einsetzen in den Aufnahmeraum mit dem Kühlmittelkanal kommuniziert. Wird demzufolge das Anschlussgehäuse mit seinem entsprechenden Abschnitt in den Aufnahmeraum eingeschoben, so findet automatisch eine Verbindung des im Aufnahmeraum mündenden Kühlmittelkanals mit dem Hohlraum statt, so dass das Kühlmittel strömen kann. Diese Ausgestaltung ist sehr einfach und kompakt, da sich die Verbindung des am Aufnahmeraum unterbrochenen Kühlmittelkanals mit dem Hohlraum zwangsläufig und ohne zusätzlichen Montageaufwand beim Einsetzen des Anschlussgehäuses in den Aufnahmeraum ergibt. Alternativ dazu wäre es natürlich auch denkbar, das Anschlussgehäuse nicht in einen solchen Aufnahmeraum zu integrieren und stattdessen den Kühlmittelkanal über entsprechende separate Leitungsverbindungen an den Hohlraum anzuschließen.
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Der Hohlraum kann vom Querschnitt her dem Kühlmittelkanalquerschnitt entsprechen, das heißt, dass das Kühlmittel quasi direkt durchströmt, lediglich die Leitungsabschnitte dabei passierend und kühlend. Alternativ dazu ist es jedoch, bevorzugt, denkbar, dass der Hohlraum einen größeren Eingangs- und Ausgangsquerschnitt als der Kühlmittelkanal aufweist. Das heißt, dass der Hohlraum breiter als der Kühlmittelkanal ist, so dass sich im Hohlraum eine gewisse Kühlmittelmenge ansammeln kann. Dies ist dahingehend vorteilhaft, als es hierdurch zu Verwirbelungen innerhalb des Hohlraums kommt, was für den Wärmeübergang von den warmen Leitungsabschnitten zum kalten Kühlmittel vorteilhaft ist.
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Um sicherzustellen, dass es im Bereich der Verbindung des Hohlraums zum Kühlmittelkanal nicht zu etwaiger Leckage kommt, sind gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung am Anschlussgehäuse bevorzugt ein oder mehrere Dichtmittel zum Abdichten des Hohlraums zum Maschinengehäuse hin vorgesehen. Über dieses oder diese Dichtmittel, bevorzugt wenigstens ein, insbesondere wenigstens zwei Dichtringe, wird eine sichere und sich automatisch beispielsweise beim Einsetzen des Anschlussgehäuses in den Aufnahmeraum ergebende Abdichtung gewährleistet. Es kann sich insbesondere um radial oder axial wirkende Dichtmittel bzw. Dichtringe handeln.
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Die Leitungsabschnitte selbst sind zumindest in dem Bereich, in dem sie den Hohlraum durchgreifen mit einer isolierenden Beschichtung versehen, so dass es trotz geringeren Abstands zwischen den Leitungsabschnitten nicht zu irgendwelchen Kurzschlüssen kommt und diese aber auch nicht durch das Kühlmittel hervorgerufen werden können.
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Als Leitungsabschnitte sind bevorzugt Busbars vorgesehen, also stabile, vollmaterialige Leiter mit einer hinreichend großen Oberfläche, die für einen guten Wärmeaustausch vorteilhaft ist.
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Werden solche Busbars verwendet, so sind diese zweckmäßigerweise im Querschnitt rechteckig und derart im Hohlraum angeordnet, dass ihre längeren Seiten parallel zur Strömungsrichtung des Kühlmittels durch den Hohlraum stehen. Das heißt, dass das beispielsweise von unten einströmende Kühlmittel gegen die Schmalseiten strömt, und auf dem fortgesetzten Strömungsweg sodann an den Längsseiten entlang durch den Hohlraum strömt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit im Maschinengehäuse eingesetztem Stromanschluss,
- 2 eine Seitenansicht auf die Anordnung aus 1,
- 3 eine geschnittene Teilansicht aus 1 durch das Motorgehäuse und das Anschlussgehäuse zur Darstellung des Hohlraums und der ihn durchgreifenden Leitungsabschnitte sowie des Kühlmittelkanals,
- 4 eine Teilansicht als Aufsicht des Stromanschlusses,
- 5 eine weitere Teilansicht, geschnitten, des Stromanschlusses,
- 6 eine Prinzipdarstellung betreffend den Fluidfluss durch den Hohlraum im Anschlussgehäuse, und
- 7 eine Prinzipansicht zur Darstellung der Zirkulation des Kühlmittels.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1, mit einem Maschinengehäuse 2, in dem in an sich bekannter Weise ein Stator mit einer Wicklung umfassend eine Mehrzahl an einer oder mehreren Phasen zugeordneten Leitern, die untereinander verschaltet sind, sowie ein entsprechender Rotor etc. aufgenommen ist. Zur Versorgung der den unterschiedlichen Phasen zugeordneten Wicklungsleitern dient ein Stromanschluss 3 mit einer entsprechenden Anzahl an Phasenanschlüssen 4, 5, 6 im Falle der hier gezeigten 3-phasigen Maschine. Der Strom wird in an sich bekannter Weise über die sogenannte Leistungselektronik bereitgestellt und geregelt. An die in 2 gezeigten Phasenanschlüsse 4, 5, 6 werden die entsprechenden von der Stromversorgung kommenden Eingangsleiter angeschlossen. Die Phasenanschlüsse 4, 5, 6 sind mit entsprechenden Leitungsabschnitten 7, 8, 9 (siehe unter anderem 5) verbunden oder Teil dieser, wobei sich die Leitungsabschnitte 7, 8, 9 in Richtung der Wicklung erstrecken und endseitig weitere Phasenanschlüsse 10, 11, 12, die hier paarweise vorgesehen sind, aufweisen respektive sich in diese verzweigen. Bei den Leitungsabschnitten 7, 8, 9 handelt es sich vorzugsweise um einstückige Busbars, die sämtliche Phasenanschlüsse 4, 5, 6 und 10, 11, 12 aufweisen.
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Der Stromanschluss 3 weist ferner ein Anschlussgehäuse 13 auf, bei dem es sich um ein Gussgehäuse aus Kunststoff handelt. Das heißt, dass die Leitungsabschnitte 7, 8, 9 in dieses Kunststoff-Anschlussgehäuse 13 eingegossen und fest in die Gussmasse eingebettet sind. Das Anschlussgehäuse 13 weist eine der Form der Leitungsabschnitte 7, 8, 9 entsprechende Geometrie auf, wobei die Leitungsabschnitte 7, 8, 9 aufgrund der Lage der Phasenanschlüsse 4, 5, 6 und 10, 11, 12 entsprechend mehrfach gewinkelt sind.
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In der Montagestellung ist, siehe die Schnittansicht gemäß 3, die eine Schnittansicht durch das Maschinengehäuse 2 sowie das Anschlussgehäuse 13 zeigt, in einen entsprechenden, im Maschinengehäuse 2 ausgebildeten Aufnahmeraum 14 eingesetzt, wobei dieser Aufnahmeraum 14 vorderseitig und zur Seite hin (siehe 1) offen ist, um die entsprechenden Anschlussverbindungen vorzusehen.
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Im Maschinengehäuse 2 ist ein Kühlmittelkanal 15 ausgebildet, der Teil eines Kühlsystems ist, durch das ein Kühlmittel zirkuliert. Bei dem Kühlmittel kann es sich um Öl, Wasser, ein Gas oder ein anderes Kühlmedium handeln. Dieser Kühlmittelkanal 15 mündet mit einem Eingang 16 an respektive in dem Aufnahmeraum 14, ebenso mit einem Ausgang 17, wie 3 zeigt. Die beiden Flusspfeile P geben exemplarisch an, dass das Kühlmittel durch den Kühlmittelkanal 15 strömt.
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Wie 3 ferner zeigt, weist das gegossene Anschlussgehäuse 13 einen an zwei gegenüberliegenden Seiten offenen Hohlraum 18 auf, der, siehe hierzu auch 4 und 5, von den Leitungsabschnitten 7, 8, 9 durchgriffen ist, diese erstrecken sich also quer durch den Hohlraum 18. Sie stehen mit ihren Schmalseiten senkrecht zur Fließrichtung gemäß Pfeil P, während sie mit ihren flachen Längsseiten parallel dazu stehen.
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Der beidseits offene Hohlraum 18 kommuniziert mit einem entsprechenden Eingang und Ausgang mit dem entsprechenden Eingang und Ausgang 16, 17 des Kühlmittelkanals 15, wie 3 anschaulich zeigt. Das heißt, dass das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkanal 15 in den Hohlraum 18 strömt, dabei an den Leitungsabschnitten 7, 8, 9 vorbeiströmt, diese dabei kühlend, und an der gegenüberliegenden Seite wieder aus dem Hohlraum 18 in den Kühlmittelkanal 15 austritt.
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Zur Abdichtung des Hohlraums 18 zum Maschinengehäuse 2 sind zwei Dichtmittel in Form von Dichtringen 19 vorgesehen, die, siehe insbesondere 3, zum Maschinengehäuse 2 hin abdichten. Sie laufen ringförmig in einer entsprechenden Aufnahmenut 20 des Anschlussgehäuses 13 um dieses herum und liegen vollflächig abdichtend an der Innenwandung des Aufnahmeraums 14 des Maschinengehäuses 2 an. Hierüber wird eine Leckage des Kühlmittels ausgeschlossen. Wenngleich im Beispiel radial wirkende Dichtringe 19 gezeigt sind, sind auch anders wirkende Dichtringtypen, insbesondere axial wirkende Dichtringe verwendbar. Kommt als Kühlmittel das gleiche Öl wie in der elektrischen Maschine zum Einsatz, so ist nur ein Dichtring ausreichend, da dann nur zur Leistungselektronik hin abzudichten ist, nicht aber zur elektrischen Maschine.
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Die 6 und 7 zeigen eine Schnittansicht durch den Stromanschluss 3 respektive das Anschlussgehäuse 13 und den Hohlraum 18. Wie durch den Doppelpfeil P auch hier dargestellt, ist die primäre Strömungsrichtung in diesem Fall vertikal durch den Hohlraum 18 und entlang der Längsflächen der Leitungsabschnitte 7, 8, 9. Es ergibt sich aber auch, wie 7 zeigt, eine Zirkulation, wie durch die dortigen Pfeile P dargestellt ist, resultierend aus dem Umstand, dass aufgrund eines geringen Versatzes des Hohlraumes 18 relativ zum Kühlmittelkanal 15 das Kühlmittel nicht exakt mittig zugeführt wird, sondern etwas außermittig. Darüber hinaus ergibt sich auch eine Verwirbelung aufgrund der im Hohlraum 18 integrierten Leitungsabschnitte 7, 8, 9.
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Die Leitungsabschnitte 7, 8, 9 sind bevorzugt aus Kupfer, können aber auch aus einem anderen Material bestehen. Sie sind zweckmäßigerweise mit einer geeigneten Beschichtung versehen, um etwaige Kurzschlüsse durch zu geringen Abstand respektive über Kriechstrecken auszuschließen.
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Wenngleich im Ausführungsbeispiel drei Leitungsabschnitte 7, 8, 9 und mithin drei separate Phasen dargestellt sind, ist es gleichermaßen denkbar, auch mehr oder weniger Phasen zu realisieren, was dazu führt, dass dann auch eine entsprechend andere Anzahl an Leitungsabschnitten im Stromanschluss 3 vorgesehen sind, die den Hohlraum 18 durchqueren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschine
- 2
- Maschinengehäuse
- 3
- Stromanschluss
- 4
- Phasenanschluss
- 5
- Phasenanschluss
- 6
- Phasenanschluss
- 7
- Leitungsabschnitt
- 8
- Leitungsabschnitt
- 9
- Leitungsabschnitt
- 10
- Phasenanschluss
- 11
- Phasenanschluss
- 12
- Phasenanschluss
- 13
- Anschlussgehäuse
- 14
- Aufnahmeraum
- 15
- Kühlmittelkanal
- 16
- Eingang
- 17
- Ausgang
- 18
- Hohlraum
- 19
- Dichtring
- 20
- Aufnahmenut
