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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper, welcher aus einer Mehrzahl an schichtweise angeordneten Statorblechen gebildet ist, und der Statorkörper eine Mehrzahl von Fluidkanälen aufweist, welche von einem Kühlfluid durchströmbar sind, sowie ein A-Lagerschild und ein B-Lagerschild, welche jeweils stirnseitig und an gegenüberliegenden Stirnseiten des Statorkörpers angeordnet sind, wobei das A-Lagerschild und/oder das B-Lagerschild wenigstens einen Hydraulikanschluss aufweisen/aufweist, mittels dessen das Kühlfluid durch das A-Lagerschild und/oder das B-Lagerschild zu wenigstens einem der Fluidkanäle führbar ist.
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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.
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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 Kegelraddifferenzial 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.
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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.
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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 notwendigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.
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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.
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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).
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Zunehmend kommen, beispielsweise aus Gründen der Gewichtsersparnis, auch gehäuselose elektrische Maschinen zum Einsatz. Bei derartigen gehäuselosen elektrischen Maschinen hoher Leistungsklassen ist es in der Regel erforderlich, die Blechpakete aktiv zu kühlen. Hierzu werden meist Kühlkanalverläufe benötigt die eine Reihen- und/oder Parallelschaltung der Kühlkanäle im Blechpaket erfordern.
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Um das zu realisieren, werden an den Ein- und/oder Ausgängen der Kühlkanäle Bauteile platziert, die die Umlenkung des Kühlfluids in die entsprechenden Kühlkanäle steuern. Dabei ist es auch möglich das mehrere Bauteile für die Umlenkung erforderlich sind. Diese Bauteile haben die Gemeinsamkeit, das jeweils zusätzlich Konturen für die Umlenkung des Kühlfluids vorhanden sein müssen. Diese Konturen sind teilweise komplex und damit in der Regel teuer in der Herstellung. Ferner können derartige Bauteile zur Umlenkung des Kühlfluids zu einem hohen Druckverlust in dem Kühlkreislauf führen, was regelmäßig unerwünscht ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest abzumildern, und einen Stator bereitzustellen, welcher zur Ausbildung von einer Reihen- und/oder Parallelschaltung von Fluidkanälen im Blechpaket keine zusätzlichen Bauteile benötigt. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung einen Stator mit einer Reihen- und/oder Parallelschaltung von Fluidkanälen im Blechpaket zu realisieren, deren Druckverlust möglichst gering ist und gleichzeitig einen möglichst hohen Wärmeübergang sicherzustellt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper, welcher aus einer Mehrzahl an schichtweise angeordneten Statorblechen gebildet ist, und der Statorkörper eine Mehrzahl von Fluidkanälen aufweist, welche von einem Kühlfluid durchströmbar sind, sowie ein A-Lagerschild und ein B-Lagerschild, welche jeweils stirnseitig und an gegenüberliegenden Stirnseiten des Statorkörpers angeordnet sind, wobei das A-Lagerschild und/oder das B-Lagerschild und/oder der Statorkörper wenigstens einen Hydraulikanschluss aufweisen/aufweist, mittels dessen das Kühlfluid durch das A-Lagerschild und/oder das B-Lagerschild und/oder den Statorkörper zu wenigstens einem der Fluidkanäle führbar ist, wobei der Statorkörper eine erste Gruppe von Statorblechen aufweist, die eine Mehrzahl von sich im Wesentlichen in axialer Richtung durch den Statorkörper erstreckenden Fluidkanälen besitzt, und eine zweite Gruppe von Statorblechen, die eine Mehrzahl von sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung durch den Statorkörper erstreckenden Verbindungskanälen aufweist, mittels derer zwei in Umfangsrichtung benachbarte Fluidkanäle fluidisch miteinander gekoppelt sind.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine Umlenkung und Steuerung des Druckverlusts der Fluidkanäle und des entsprechenden Kühlsystems einfach durch entsprechend ausgebildete Statorblechgruppen bewirkt werden kann. Zusätzliche Bauteile zur Umlenkung des Kühlfluids können somit entfallen. Hierdurch kann die Anzahl der Bauteile des Stators sowie die Kosten seiner Herstellung reduziert werden. Ein Kerngedanke der Erfindung besteht u.a. also darin, den Kühlkanalverlauf vollständig oder zumindest teilweise im Blechpaket abzubilden. Hierbei werden auch die notwendigen Umlenkungen, welche bislang durch separate Bauteile realisiert werden mussten, im Blechpaket des Stators umgesetzt.
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Die beiden Statorblechgruppen weisen dabei unterschiedliche Blechgeometrien auf, die axial so geschichtet angeordnet sind, dass Kühlkanäle inklusive einer Umlenkung des Kühlfluids im Statorkörper ausgebildet werden können. Dazu werden in den Statorblechgruppen verschiedene Blechschnitte verwendet. Die Blechschnitte können beispielsweise mit einen Stanzwerkzeug mit gesteuerten Stempeln geschnitten werden, wodurch die Herstellung der Statorblechgruppen besonders kostengünstig erfolgen kann. Die Fluidkanäle und/oder die Verbindungskanäle sind dabei bevorzugt als Fenster in der jeweiligen Statorblechgruppe ausgebildet. Durch das Aneinanderreihen der Statorblechgruppen bzw. der Statorbleche aus denen sie jeweils gebildet sind, kann die Länge bzw. die axiale Erstreckung der Fluid- und/oder Verbindungskanäle eingestellt und angepasst werden.
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Ferner ist es durch die Erfindung möglich, den Druckverlust über die Anzahl der Statorbleche im Bereich der Umlenkung des Kühlfluids zu steuern. Hierdurch kann der Druckverlust entlang des Kühlkanals eingestellt bzw. auf ein angestrebtes Minimum reduziert werden. Durch die Veränderung der Anzahl der Einzelbleche in den äußeren Gruppen, einer der äußeren Gruppen von Statorblechen, welche mittels der Verbindungskanäle die Umlenkung des Kühlfluids in dem Statorkörper realisiert, kann der Druckverlust entlang der Fluidkanäle verändert bzw. angepasst werden. Dabei lassen sich beispielsweise die Druckverluste für die Umlenkungen des Kühlfluids an den sich gegenüberliegenden Stirnseiten des zylinderringförmigen Statorkörpers separat einstellen.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Der erfindungsgemäße Stator ist zur Verwendung in einer elektrischen Maschine vorgesehen. Die elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und sie umfasst in der Regel den als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich, insbesondere drehbar, angeordneten Teil. 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 der Elektromotor 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.
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Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
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Der erfindungsgemäße Stator kann bevorzugt für eine Radialflussmaschine konfiguriert sein. Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch bzw. zylinderringförmig aufgebaut und besteht in der Regel aus einem Statorkörper, der durch gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen gebildet ist. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin, können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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Der Statorkörper ist bevorzugt einteilig ausgebildet. 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. Die Einzelbleche können in dem Statorkörper beispielsweise durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fluidkanäle sich achsparallel zur Drehachse eines drehbar zum Stator gelagerten Rotors erstrecken, was sich hinsichtlich der Kühlleistung und des Druckverlusts als vorteilhaft erwiesen hat.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die erste Gruppe von Statorblechen in axialer Richtung von zwei Statorblechen der ersten Gruppe von Statorblechen eingefasst ist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass eine Umlenkung des Kühlfluids an beiden Stirnseiten des zylinderringförmigen Statorkörpers erfolgen kann.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die axiale Erstreckung der ersten Gruppe von Statorblechen 3-10 mal der axialen Erstreckung einer der zweiten Gruppe von Statorblechen entspricht, was sich hinsichtlich der erzielbaren Kühlwirkung und des Druckverlustes als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das axial an einer zweiten Gruppe von Statorblechen wenigstens ein Abschlussscheibe des Statorkörpers so angeordnet ist, dass wenigstens einer der Fluidkanäle und wenigstens ein Verbindungskanal in axialer Richtung verschlossen ist. Die Abschlussscheibe kann insbesondere aus einem Blech oder einem Kunststoff gebildet sein. Besonders bevorzugt ist die Abschlussscheibe ein Statorblech.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Abschlussscheibe wenigstens einen Zufuhrkanal aufweist, mittels dessen der Hydraulikanschluss mit wenigstens einem der Fluidkanäle und/oder Verbindungskanäle fluidisch koppelbar ist, was hydraulisch wie anschlusstechnisch besonders günstig ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von ersten Gruppen an Statorblechen axial aneinander angeordnet ist, wodurch die Länge des Statorkörpers einstellbar ist.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Statorbleche der ersten Gruppe von Statorblechen und/oder die Statorbleche der zweiten Gruppe von Statorblechen im Wesentlichen gleichteilig ausgebildet sind, was fertigungstechnisch besonders vorteilhaft ist.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die erste Gruppe von Statorblechen und die zweite Gruppe von Statorblechen einen im Wesentlichen mäanderartigen Strömungspfad für das Kühlfluid definieren, was sich hinsichtlich der Kühlleistung und des Druckverlusts ebenfalls als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
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Das Kühlfluid hat in dem Stator bzw. in der elektrischen Maschine die Funktion, Wärme möglichst effizient aus sich erwärmenden Bereichen des Stators bzw. der elektrischen Maschine abzuführen und ein unerwünschtes Überhitzen dieser Bereiche zu vermeiden. Neben dieser Hauptaufgabe kann das Kühlfluid insbesondere auch die Schmierung und den Korrosionsschutz für die beweglichen Teile und/oder die Metalloberflächen des Kühlsystems des Stators bzw. der elektrischen Maschine bereitstellen. Außerdem kann es insbesondere auch Verunreinigungen (beispielsweise durch Abrieb), Wasser und Luft abführen.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass das Kühlfluid eine Flüssigkeit, insbesondere ein Kühlöl, ist. Grundsätzlich ist es allerdings auch denkbar, wässrige Kühlfluide, beispielsweise auch Emulsionen, zu verwenden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 einen Stator mit Lagerschilden in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 einen Stator mit Lagerschilden in einer Explosionsdarstellung,
- 3 einen Stator mit freigestellten Fluidkanälen und Lagerschilden in einer Explosionsdarstellung,
- 4 eine Detailansicht eines Stators mit freigestellten Fluidkanälen in einer perspektivischen Ansicht,
- 5 eine Detailansicht eines Stators mit freigestellten, mäanderförmig verlaufenden Fluidkanälen in einer perspektivischen Ansicht.
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Die 1 zeigt einen Stator 1 für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkörper 3, welcher aus einer Mehrzahl an schichtweise angeordneten Statorblechen 4 gebildet ist.
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Der Statorkörper 3 weist eine Mehrzahl von Fluidkanälen 5 auf, welche von einem Kühlfluid 6 durchströmbar sind, sowie ein A-Lagerschild 7 und ein B-Lagerschild 8, welche jeweils stirnseitig und an gegenüberliegenden Stirnseiten 9 des Statorkörpers 3 angeordnet sind. Wie aus der 2 ersichtlich wird, weist das A-Lagerschild 7 einen Hydraulikanschluss 10 auf, mittels dessen das Kühlfluid 6 durch das A-Lagerschild 7 zu wenigstens einem der Fluidkanäle 5 führbar ist.
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Der Statorkörper 3 ist aufgebaut aus einer ersten Gruppe von Statorblechen 11, die eine Mehrzahl von sich im Wesentlichen in axialer Richtung durch den Statorkörper 3 erstreckenden Fluidkanälen 12 besitzt, und einer zweiten Gruppe von Statorblechen 13, die eine Mehrzahl von sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung durch den Statorkörper 3 erstreckenden Verbindungskanälen 14 aufweist, mittels derer zwei in Umfangsrichtung benachbarte Fluidkanäle 12 fluidisch miteinander gekoppelt sind. Dies lässt sich besonders gut aus der Detaildarstellung der 5 nachvollziehen.
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Die Fluidkanäle 12, welche eine umfänglich geschlossene Kontur aufweisen, erstrecken sich dabei achsparallel zur Drehachse eines drehbar zum Stator 1 gelagerten Rotors. Zur Einstellung der axialen Erstreckung des Stators 1 bzw. der axialen Erstreckung der Fluidkanäle 12 über möglichst die gesamte axiale Länge des Stators 1 ist eine Mehrzahl von ersten Gruppen an Statorblechen 11 axial aneinander angeordnet. Ersichtlich ist aus der 5 ferner, dass die erste Gruppe von Statorblechen 11 und die zweite Gruppe von Statorblechen 13 einen im Wesentlichen mäanderartigen Strömungspfad für das Kühlfluid 6 definieren. Hierzu ist die erste Gruppe von Statorblechen 11 in axialer Richtung von zwei Statorblechen 13 der ersten Gruppe von Statorblechen 13 eingefasst. Axial ist ferner jeweils an einer zweiten Gruppe von Statorblechen 13 wenigstens eine Abschlussscheibe 15 des Statorkörpers 3 so angeordnet, dass wenigstens einer der Fluidkanäle 12 und wenigstens ein Verbindungskanal 14 in axialer Richtung verschlossen ist.
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In der 4 ist gezeigt, dass die Abschlussscheibe 15 wenigstens einen Zufuhrkanal 16 aufweist, mittels dessen der Hydraulikanschluss 10 mit wenigstens einem der Fluidkanäle 12 und/oder Verbindungskanäle 14 fluidisch koppelbar ist.
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Der Anschluss 10 kann sich hierzu in Richtung der Zufuhrkanäle 16 trichterartig aufweiten, um einen Zufluss von Kühlfluid 6 zu einer Mehrzahl an Fluidkanälen 12 bzw. Verbindungskanälen 14 zu erlauben.
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Somit ergibt sich also ein Kühlkreislauf, der das Kühlfluid 6 durch den Hydraulikanschluss 10 des A-Lagerschilds 7 zu dem Zufuhrkanal 16 die Abschlussscheibe 15 führt, von dem aus das Kühlfluid 6 dann über die annähernd gesamte axiale Erstreckung des Stators 1 mäanderförmig durch die Fluidkanäle 12 und Verbindungskanäle 14 geleitet wird. Das Kühlfluid 6 kann dann an einer geeigneten Stelle wieder aus dem Stator 1 herausgeführt werden.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 3
- Statorkörper
- 4
- Statorblechen
- 5
- Fluidkanälen
- 6
- Kühlfluid
- 7
- A-Lagerschild
- 8
- B-Lagerschild
- 9
- Stirnseiten
- 10
- Hydraulikanschluss
- 11
- Statorblechen
- 12
- Fluidkanälen
- 13
- Statorblechen
- 14
- Verbindungskanälen
- 15
- Abschlussscheibe
- 16
- Zufuhrkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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