DE102021133992A1

DE102021133992A1 - Stator und Verfahren zu Herstellung eines Stators

Info

Publication number: DE102021133992A1
Application number: DE102021133992.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dollansky; Wolfgang Haas; Michael Marsetz; Jürgen Seifermann; Cédric Blaes; Bruno Müller; Natanael Schoch
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper (3) mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne (4) und zwischen den Statorzähnen (4) gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator (1) erstreckender Statornuten (7), wobei in den Statornuten (7) im Wesentlichen radial übereinander angeordnete elektrische Leiter (12) einer Statorwicklung (6) aufgenommen sind, und die Statornuten (7) entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund (8) und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung (9) aufweisen oder die Statornuten (7) entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial inneren Ende einen Nutgrund (8) und ihrem radial äußeren Ende eine Nutöffnung (9) aufweisen, wobei die Nutöffnungen (9) jeweils durch ein Nutverschlussmittel (10) verschlossen sind, und die Statornuten (7) jeweils durch ein Isolationsmittel (11) von den Statorwicklungen (6) getrennt werden, wobei die Isolationsmittel (11) und die Nutverschlussmittel (10) einstückig, insbesondere monolithisch, miteinander ausgeformt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten im Wesentlichen radial übereinander angeordnete elektrische Leiter einer Statorwicklung aufgenommen sind, und die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung aufweisen oder die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial inneren Ende einen Nutgrund und ihrem radial äußeren Ende eine Nutöffnung aufweisen, wobei die Nutöffnungen jeweils durch ein Nutverschlussmittel verschlossen sind, und die Statornuten jeweils durch ein Isolationsmittel von den Statorwicklungen getrennt werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Stators.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegel-raddifferenzial oder Stirnraddifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
Bei der Entwicklung der für E-Achsen oder Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der elektrischen Maschinen wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.
Die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung sind beispielsweise aus dem Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen mittels Hydraulikflüssigkeiten bekannt. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der äußeren Oberfläche des Statorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang direkt an den Leitern außerhalb des Statorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid.
Weitere Verbesserungen bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators (siehe z. B. EP3157138 A1 ) als auch in die Nut zusätzlich zu den Leitern eingebracht werden (siehe z. B. Markus Schiefer: Indirekte Wicklungskühlung von hochausgenutzten permanenterregten Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017).
Es sind auch Konzepte bekannt, bei denen die Wicklungen direkt mit Hydraulikflüssigkeit umströmt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Hydraulikflüssigkeit und Leiter in der Nut ist bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise DE102015013018 A1 eine Lösung für elektrische Maschinen mit Einzelzahnwicklung, wobei das Fluid direkt die Wicklungen, welche um die Zähne gewickelt sind, umströmt.
In elektrischen Maschinen mit indirekter Mantelkühlung wird die Statornut mit einem Nutverschlusskeil verschlossen. Dieser wird axial in die Statornut eingeschoben und muss dort in der Regel keine Dichtfunktion leisten. Um dieses Prinzip auf einen direkt gekühlten Stator mit Dichtungsanforderung zu übertragen, müsste der Nutverschlusskeil jeder einzelnen Statornut an seinen beiden Kontaktflächen zum Stator-Blechpaket über die gesamte Statorlänge hin betriebssicher zum Rotorraum hin abgedichtet werden. An einem üblichen Stator mit beispielsweise 96 Statornuten und einer Länge von 110 mm birgt dies ein sehr hohes Leckagerisiko im Betrieb. Zudem wäre dieses Design bei der Montage mit einem erheblichen Aufwand, z.B. durch das Aufdosieren einer Dichtmasse, verbunden.
Aus dem Stand der Technik sind Statoren bekannt, bei denen ein umlaufend geschlossenes Dichtelement am Stator-Innendurchmesser, z.B. in Form eines Rohrs, verwendet wird. Die radiale Dicke dieses Dichtelements erhöht direkt den elektromagnetisch wirksamen Luftspalt und mindert dadurch die Leistungsfähigkeit der Maschine. Es muss dabei so ausgelegt werden, dass es unter der radialen Druckbelastung im Betrieb, welche hauptsächlich dem Druck des Kühlmediums geschuldet ist, keine unzulässige radiale Verformung nach innen aufweist, welche zur Kollision mit dem Rotor führen kann. Üblich ist hier die Verwendung eines GFK- oder CFK-Rohres, welches zunächst als Einzelteil gefertigt und dann in den Stator-Innendurchmesser eingeschoben wird. Diese Ausführungsart ist jedoch mit einigen Nachteilen verbunden.
Die Dicke eines solchen GFK-Rohrs ist technologiebedingt nicht beliebig reduzierbar. Zum Aufbau der Glasfasermatten ist eine Mindest-Dicke erforderlich. Zudem besteht beim Handling mit einem dünnen Rohr von der Einzelteilfertigung bis zur Montage in den Stator ein hohes Beschädigungsrisiko. Das GFK-Rohr wird darüber hinaus üblicherweise an zwei Dichtungen außerhalb des Luftspalts zwischen Stator und Rotor gelagert. Dazwischen muss es sich über seine mechanische Steifigkeit selbst tragen, da keine „haltenden“ Normalkräfte zum Stator-Innendurchmesser übertragen werden. In Abhängigkeit von Durchmesser und Länge des Stators muss das GFK-Rohr daher entsprechend dick ausgelegt werden, um durch die Eigensteifigkeit eine hinreichend geringe radiale Verformung im Betrieb und eine hinreichend hohe Beulsicherheit aufzuweisen. Ebenso muss ein möglichst steifer, faserverstärkter Werkstoff gewählt werden, welcher mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden ist.
Schließlich werden das Spaltrohr und der Stator zunächst als toleranzbehaftete Einzelteile angeliefert und müssen dann durch Einschieben des Spaltrohrs in den Stator gefügt werden. Um die Fügbarkeit in kritischer Toleranzlage zu gewährleisten, ergeben sich Toleranzlagen, in welchen Spiel zwischen Stator-Innendurchmesser und dem GFK-Rohr vorliegt. Neben der Rohrdicke erhöht somit auch dieses Fügespiel den elektromagnetisch wirksamen Luftspalt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung die vorstehenden Nachteile zu vermindern oder vollständig zu vermeiden und einen Stator mit einem alternativen umlaufend geschlossenen Dichtelement bereitzustellen, welches gegenüber dem üblichen massiven Rohr eine geringere Erhöhung des elektromagnetisch wirksamen Luftspalts mit einfacherer Montierbarkeit und günstigeren Herstellkosten kombiniert. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, einen Stator für eine elektrische Maschine bereitzustellen, die eine hohe Leistungsdichte durch eine optimierte Kühlung und optimierte elektromagnetische Ausgestaltung aufweist. Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Stators zu realisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, wobei in den Statornuten im Wesentlichen radial übereinander angeordnete elektrische Leiter einer Statorwicklung aufgenommen sind, und die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung aufweisen oder die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial inneren Ende einen Nutgrund und ihrem radial äußeren Ende eine Nutöffnung aufweisen, wobei die Nutöffnungen jeweils durch ein Nutverschlussmittel verschlossen sind, und die Statornuten jeweils durch ein Isolationsmittel von den Statorwicklungen getrennt werden, wobei die Isolationsmittel und die Nutverschlussmittel einstückig, insbesondere monolithisch, miteinander ausgeformt sind.
Durch die einstückige Ausführung von Isolationsmittel und Nutverschlussmittel kann ein besonders montagefreundlicher Stator bereitgestellt werden. Durch die Isolationsmittel und die Nutverschlussmittel werden ferner die im Betrieb mit einem i.d.R. flüssigen Kühlmedium durchströmbaren Statornuten radial zum Rotor hin abgedichtet. Das üblicherweise unter Druck stehende Kühlmedium wird so im Wesentlichen vollständig im Statorraum gehalten und kann den Rotorraum nicht fluten.
Bevorzugt sind das Isolationsmittel und das Nutverschlussmittel aus einem Kunststoff geformt. Besonders bevorzugt ist der Kunststoff ein Duroplast.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Nutverschlussmittel in radialer Richtung nicht aus der Nutöffnung herausragen. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung in diesem Zusammenhang auch vorgesehen sein, dass die Isolationsmittel und die Nutverschlussmittel durch einen Kunststoffspritzgussprozess gefertigt sind, bei dem ein Kunststoff in die Statornuten und Nutöffnungen des Statorkörpers eingespritzt wird. Ferner kann durch die spritzgegossenen Nutverschlussmittel der elektromagnetisch wirksame Luftspalt sehr gering gehalten und somit die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine optimiert werden.
Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, die Nutverschlussmittel mittels einer dünnwandigen Umspritzung am Innendurchmesser des Statorkörpers auszubilden. Diese dünnwandige Umspritzung weist bevorzugt eine zylinderringartige Grundform auf. Bevorzugt weist die dünnwandige Umspritzung des Statorkörpers am inneren Durchmesser des Stators eine mittlere Schichtdicke von 0,05-0,4 mm, bevorzugt 0,1-0,3 mm auf. Hierdurch kann eine Abdichtung nach innen der Blechung des Stators erreicht werden. Weiterhin dient diese dünnwandige Umspritzung der Basisisolation zwischen dem Stator und Rotor im Falle einer Fehlfunktion.
Des Weiteren ist es denkbar, dass auch am Außendurchmesser des Stators eine dünnwandige, zylinderringartige Umspritzung erfolgt. Diese kann eine absichernde Funktion hinsichtlich der Hochvoltsicherheit generieren. Auf Grund des Verhaltens des Kunststoffes, insbesondere des Duroplasten, kann auch ein Pressverband zum den Stator aufnehmenden Gehäuse realisiert werden, welcher auch der Drehmomentabstützung Stator zu Gehäuse dient. Auch kann hierdurch eine Abdichtung des Stators gegenüber dem Gehäuse erfolgen. Bevorzugt weist die dünnwandige Umspritzung des Statorkörpers an dessen äußeren Durchmesser eine mittlere Schichtdicke von 0,1-2,0 mm, bevorzugt 0,5-1,0 mm auf.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Isolationsmittel und die Nutverschlussmittel jeweils eine der Statornuten fluiddicht auskleiden, so dass die Statornuten von einem Kühlmedium durchströmbar ausgeführt werden können. Es ist höchst bevorzugt, dass alle Statornuten durch die Isolationsmittel und die Nutverschlussmittel fluiddicht ausgekleidet sind.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Nutverschlussmittel wenigstens an einer axialen Seite des Statorkörpers aus diesem axial herausragen und der axial herausragende Teil der Nutverschlussmittel als ein sich in Axialrichtung erstreckender Zylinderring ausgebildet ist, der aus den Statornuten herausragende Wickelköpfe zumindest abschnittsweise axial überdeckt. Des Weiteren kann die Erfindung in diesem Zusammenhang auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Zylinderring sich in axialer Richtung so weit erstreckt, dass der die Wickelköpfe aufnehmende Ringraum des Stators fluiddicht gegenüber einem Rotor der elektrischen Maschine ausführbar ist. Hierdurch kann auf sehr montagefreundliche Art und Weise eine hydraulische Wickelkopfkühlung realisierbar sein, bei der durch den Zylinderring ein Eindringen von Kühlmedium aus dem die Wickelköpfe aufnehmenden Ringraum in den Rotorraum verhindert werden kann.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Statorwicklung als Hairpin-Wicklung ausgebildet ist, was insbesondere den Vorteil hat, dass die Hairpin-Wicklung nach Ausbildung der Nutverschlussmittel und der Isolationsmittel in die Statornuten einführbar ist.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Isolationsmittel eine mittlere Schichtdicke von 0,05-0,43 mm, bevorzugt 0,1-0,3 mm aufweist.
Alternativ oder ergänzend kann wenigstens eines der Isolationsmittel zumindest ein in die jeweilige Statornut hereinragendes Abstandselement aufweisen, welches einen der elektrischen Leiter unter Ausbildung eines durchströmbaren Kanals von dem Isolationsmittel beabstandet. Bevorzugt weisen alle Statornuten Isolationsmittel mit Abstandselementen auf. Besonders bevorzugt entspricht die Anzahl der Abstandselemente der Anzahl der elektrischen Leiter in einer Statornut. Höchst bevorzugt ist es, dass sich paarweise in einer der Statornuten gegenüberliegende Abstandelemente in dem Isolationsmittel ausgeformt sind. Insbesondere bevorzugt ist es ferner, dass die Abstandselemente im Wesentlichen identisch ausgestaltet sind. Dabei wird also im inneren des Stators beim Umspritzen eine Beabstandungsgeometrie zu den Leitern ausgebildet, welche gezielt Kanäle für eine Durchströmung von Kühlflüssigkeit im Betrieb zwischen den Leitern und zur Statorwand ausbildet.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, umfassend die folgenden Schritte:

a. Bereitstellung eines zylinderringförmigen Statorkörpers mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator erstreckender Statornuten, welche entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung ausweisen oder die Statornuten entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial inneren Ende einen Nutgrund und ihrem radial äußeren Ende eine Nutöffnung aufweisen,
b. Kuststoffspritzgießen der Isolationsmittel und der Nutverschlussmittel innerhalb des Statorkörpers.

Hierdurch kann erreicht werden, dass die Isolationsmittel und die Nutverschlussmittel ohne zusätzlichen Montageschritt ausgebildet werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann also einen Stator mit einer vorgesehenen direkten Nutkühlung bereitstellen, der auf fertigungstechnisch einfache wie kostengünstige Weise einen optimierten Stator realisieren kann. Durch das Ausformen der Nutverschlussmittel und Isolationsmittel direkt im Stator sind lediglich wenige Handlingsprozesse erforderlich.
Als Werkstoffe können sowohl thermoformbare thermoplastische Kunststoffe wie auch duroplastische Werkstoffe in der Form von z.B. Prepregs eingesetzt werden. Diese können sowohl unverstärkt als auch mit Glasfasern verstärkt oder Füllstoffen modifiziert eingesetzt werden. Bei einer Verstärkung mit Endlosfasern, also Fasern die in ihrer Länge in etwa den Abmessungen des Bauteils entsprechen, ist die Orientierung der Fasern dem entsprechenden Bauteil anzupassen, um einerseits eine ausreichende Verformbarkeit sowie später eine gute Stützwirkung zu erreichen. Zur Verformbarkeit sind Faserwinkel deutlich unterhalb von 90° sowie zur optimierten Stützwirkung deutlich oberhalb von 0° vorteilhaft. Thermoplastische Kunststoffe bieten der Vorteil einer besseren Verarbeitbarkeit, duroplastische Werkstoffe hingegen eine optimierte Steifigkeit, Temperaturbeständigkeit und Adhäsion zum Stator. Als Fasern kommen bevorzugt elektrisch isolierende Glas-/Keramik- oder Polymerfasern zum Einsatz um Wirbelströme im Luftspalt zu vermeiden.
Der erfindungsgemäße Stator ist bevorzugt zur Verwendung in einer Radialflussmaschine ausgebildet. Ein Stator für eine Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen.
In die Statornuten des erfindungsgemäßen Stators sind Statorwicklungen eingelassen. Eine Statorwicklung umfasst elektrisch leitfähige Leiter, deren Längenerstreckung wesentlich größer ist als ihr Durchmesser. Die Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet.
Der erfindungsgemäße Stator besitzt ferner einen Statorkörper. Der Statorkörper kann einteilig oder mehrteilig, insbesondere segmentiert ausgebildet sein. Ein einteiliger Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Statorkörper umfänglich gesehen einteilig ausgebildet ist. Der Statorkörper ist dabei in der Regel aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet, wobei jedes der Elektrobleche zu einem Kreisring geschlossen ausgebildet ist. Ein segmentiert aufgebauter Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einzelnen Statorsegmentteilen aufgebaut ist. Der Statorkörper kann dabei aus einzelnen Statorzähnen oder Statorzahngruppen aufgebaut sein, wobei jeder einzelne Statorzahn oder jede einzelne Statorzahngruppe aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet sein kann, wobei jedes der Elektrobleche als Statorsegmentblechteil ausgebildet ist.
Der Statorkörper ist bevorzugt aus einem oder mehreren Statorblechpaketen gebildet. Als Statorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Statorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Statorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.
In dem Statorkörper sind bevorzugt die Statorzähne des Stators ausgebildet. Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen gerichtete Teile des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist. Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein im Wesentlichen kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht.
Der Stator ist insbesondere für die Verwendung in einer elektrischen Maschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht eines Stators,
2 eine Querschnittsdetailansicht einer ersten Ausführungsform eines Stators,
3 eine perspektivische Detailansicht auf eine axiale Stirnseite des Stators.
4 eine Axialschnittdarstellung einer elektrischen Maschine mit einem Stator,
5 eine Querschnittsdetailansicht einer zweiten Ausführungsform eines Stators.

Die 1 zeigt einen Stator 1 für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper 3 mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne 4 und zwischen den Statorzähnen 4 gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator 1 erstreckender Statornuten 7. Der Stator 1 ist für eine Radialflussmaschine in Innenläuferkonfiguration vorgesehen.
Wie aus der 2 ersichtlich wird, sind in den Statornuten 7 im Wesentlichen radial übereinander angeordnete elektrische Leiter 12 einer Statorwicklung 6 aufgenommen. Die Statornuten 7 jeweils durch ein Isolationsmittel 11 von den Statorwicklungen 6 getrennt. Die Statornuten 7 weisen ferner entlang ihrer radialen Erstreckung jeweils an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund 8 und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung 9 auf. Die Nutöffnungen 9 sind jeweils durch ein Nutverschlussmittel 10 verschlossen.
Die Isolationsmittel 11 und die Nutverschlussmittel 10 sind einstückig miteinander ausgeformt, indem die Isolationsmittel 11 und die Nutverschlussmittel 10 durch einen Kunststoffspritzgussprozess gefertigt sind, bei dem ein Kunststoff in die Statornuten 7 und Nutöffnungen 9 des Statorkörpers 3 eingespritzt wird. Aus der 2 ist gut ersichtlich, dass die Nutverschlussmittel 10 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung in radialer Richtung nicht aus der Nutöffnung 9 herausragen. Die Isolationsmittel 11 und die Nutverschlussmittel 10 kleiden jeweils eine der Statornuten 7 fluiddicht aus, so dass die Statornuten 7 von einem Kühlmedium durchströmbar sind, beispielsweise einem Kühlöl. Hierdurch kann eine direkte Nutkühlung realisiert werden. Die Statorwicklung 6 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 als Hairpin-Wicklung ausgebildet.
Die 3 zeigt, dass die Nutverschlussmittel 10 wenigstens an einer axialen Seite des Statorkörpers 3 aus diesem axial herausragen und der axial herausragende Teil der Nutverschlussmittel 10 als ein sich in Axialrichtung erstreckender Zylinderring 12 ausgebildet ist, der aus den Statornuten 7 herausragende Wickelköpfe 13 zumindest abschnittsweise axial überdeckt. Aus der Zusammenschau von 3 und 4 wird ersichtlich, dass der Zylinderring 12 sich in axialer Richtung so weit erstreckt, dass der die Wickelköpfe 13 aufnehmende Ringraum 17 des Stators 1 fluiddicht gegenüber einem Rotor der elektrischen Maschine ausführbar ist.
In der 5 ist eine zweite Ausführungsform eines Stators 1 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist das Nutverschlussmittel 10 mittels einer dünnwandigen Umspritzung am Innendurchmesser 19 des Statorkörpers 3 ausgebildet. Diese dünnwandige Umspritzung weist eine zylinderringartige Grundform auf. Des Weiteren ist auch am Außendurchmesser 20 des Statorkörpers 3 eine dünnwandige, zylinderringartige Umspritzung mit einem Duroplast erfolgt.
Ferner weist das Isolationsmittel 11 insgesamt zehn in die jeweilige Statornut 7 hereinragende Abstandselemente 18 auf, welche die elektrischen Leiter 12 unter Ausbildung eines durchströmbaren Kanals von dem Isolationsmittel 11 beabstandet. Jeweils fünf identisch ausgebildete Abstandselemente 18 liegen sich paarweise in einer der Statornuten 7 gegenüber. Hierdurch wird also im inneren des Stators 1 beim Umspritzen eine Beabstandungsgeometrie zu den Leitern 12 ausgebildet, welche gezielt Kanäle 21 für eine Durchströmung von Kühlflüssigkeit im Betrieb zwischen den elektrischen Leitern 12 und zur Statorwand bzw. dem Isolationsmittel 11 ausbildet.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: elektrische Maschine
3: Statorkörper
4: Statorzähne
5: Rotor
6: Statorwicklung
7: Statornuten
8: Nutgrund
9: Nutöffnung
10: Nutverschlussmittel
11: Isolationsmittel
12: Leiter
13: Wickelköpfe
14: Zylinderring
15: Lagerschild
16: Motorgehäuse
17: Ringraum
18: Abstandselement
19: Innendurchmesser
20: Außendurchmesser
21: Kanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3157138 A1 [0007]
DE 102015013018 A1 [0008]

Claims

Stator (1) für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper (3) mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne (4) und zwischen den Statorzähnen (4) gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator (1) erstreckender Statornuten (7), wobei in den Statornuten (7) im Wesentlichen radial übereinander angeordnete elektrische Leiter (12) einer Statorwicklung (6) aufgenommen sind, und die Statornuten (7) entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund (8) und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung (9) aufweisen oder die Statornuten (7) entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial inneren Ende einen Nutgrund (8) und ihrem radial äußeren Ende eine Nutöffnung (9) aufweisen, wobei die Nutöffnungen (9) jeweils durch ein Nutverschlussmittel (10) verschlossen sind, und die Statornuten (7) jeweils durch ein Isolationsmittel (11) von den Statorwicklungen (6) getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsmittel (11) und die Nutverschlussmittel (10) einstückig, insbesondere monolithisch, miteinander ausgeformt sind.
Stator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutverschlussmittel (10) in radialer Richtung nicht aus der Nutöffnung (9) herausragen.
Stator (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsmittel (11) und die Nutverschlussmittel (10) durch einen Kunststoffspritzgussprozess gefertigt sind, bei dem ein Kunststoff in die Statornuten (7) und Nutöffnungen (9) des Statorkörpers (3) eingespritzt wird.
Stator (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsmittel (11) und die Nutverschlussmittel (10) jeweils eine der Statornuten (7) fluiddicht auskleiden.
Stator (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutverschlussmittel (10) wenigstens an einer axialen Seite des Statorkörpers (3) aus diesem axial herausragen und der axial herausragende Teil der Nutverschlussmittel (10) als ein sich in Axialrichtung erstreckender Zylinderring (14) ausgebildet ist, der aus den Statornuten (7) herausragende Wickelköpfe (13) zumindest abschnittsweise axial überdeckt.
Stator (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderring (14) sich in axialer Richtung so weit erstreckt, dass der die Wickelköpfe (13) aufnehmende Ringraum (17) des Stators (1) fluiddicht gegenüber einem Rotor der elektrischen Maschine ausführbar ist.
Stator (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Isolationsmittel (11) zumindest ein in die jeweilige Statornut (7) hereinragendes Abstandselement (18) aufweist, welches einen der elektrischen Leiter (12) unter Ausbildung eines durchströmbaren Kanals (21) von dem Isolationsmittel (11) beabstandet.
Stator (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmittel (11) eine mittlere Schichtdicke von 0,05-0,43 mm, bevorzugt 0,1-0,3 mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) für eine elektrische Maschine, umfassend die folgenden Schritte: a. Bereitstellung eines zylinderringförmigen Statorkörpers (3) mit einer Vielzahl umfänglich verteilt angeordneter Statorzähne (4) und zwischen den Statorzähnen (4) gebildeten, sich in axialer Richtung durch den Stator (1) erstreckender Statornuten (7), welche entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial äußeren Ende einen Nutgrund (8) und ihrem radial inneren Ende eine Nutöffnung (9) ausweisen oder die Statornuten (7) entlang ihrer radialen Erstreckung an ihrem radial inneren Ende einen Nutgrund (8) und ihrem radial äußeren Ende eine Nutöffnung (9) aufweisen, b. Kuststoffspritzgießen der Isolationsmittel (11) und der Nutverschlussmittel (10) innerhalb des Statorkörpers (3).