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Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, eine elektrische Antriebsmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung.
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Bei vielen elektrischen Antriebsmaschinen von Kraftfahrzeugen erfolgt die Kühlung eines Stators über einen Kühlkanal in einem doppelwandigen Gehäuse, wobei dessen Kontaktfläche zum Stator hin auch gleichzeitig das Drehmoment des Stators abstützt.
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Je umfangreicher die Anforderungen und Schnittstellen an ein derartiges Stator-Gussgehäuse werden, desto aufwändiger und komplexer ist die technische Umsetzung, v.A. bzgl. der Darstellung eines innenliegenden Kühlkanals hinsichtlich Kernstützen, Entformungsschrägen, Abdichten der Öffnungen der Kernstützen, etc.
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Zusätzlich wird die Kühlleistung bei einem doppelwandigen Gehäuse durch die innen liegende, dem Stator zugewandte Gehäusewand reduziert. Der Wärmeleitpfad geht per Wärmeübergang vom Stator an die Gehäusewand, dann per Wärmeleitung durch die Gehäusewand und dann per Wärmeübergang von der Gehäusewand an den Kühlkanal.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlung eines Stators einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs zu verbessern.
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Jeder der unabhängigen Ansprüche bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einem Aspekt wird offenbart eine Statoranordnung für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend: (a) einen Stator mit einem Statorkern und Wicklungen, die beiderseits des Statorblechpakets jeweils einen Statorwickelkopf ausbilden; und (b) ein Gehäuse mit einer Statorkernaufnahme, die Aufnahmeflächen zur Abstützung des Statorkerns an dem Gehäuse aufweist, insbesondere an einem Innenmantel des Gehäuses.
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In einem, insbesondere längsaxialen, Bereich der Statorkernaufnahme sind, insbesondere zusätzlich zu den Aufnahmeflächen, Ausnehmungsflächen angeordnet, die gemeinsam mit einem Statorkernaußenmantel des Statorkerns wenigstens einen Kühlkanal zur Kühlung des Statorkerns ausbilden. Beiderseits längsaxial der Ausnehmungsflächen ist, insbesondere aber nicht zwingend an der Statorkernaufnahme, jeweils eine Umfangsdichtung angeordnet, die dazu ausgebildet ist, ein Austreten von Kühlfluid aus dem Kühlkanal hin zu einem Statorwickelkopf zu verhindern.
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Aufgrund des einwandigen Gehäuses wird die Kühlung des Stators erheblich verbessert; der Wärmeleitpfad geht per Wärmeübergang direkt vom Stator an den Kühlkanal. Der Bearbeitungsaufwand des Gussgehäuses wird reduziert, da nur die radial abgesetzten (kleineren) Durchmesser für die Zentrierung des Stators und die Abstützung des Drehmoments im Gehäuse bearbeitet werden müssen. Darüber hinaus ist nahezu die komplette Struktur des Kühlkanals in der Gusskontur des Gehäuses integriert und muss größtenteils nicht bearbeitet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Statoranordnung gemäß einer Ausführung der Erfindung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung, die gemäß einer Ausführung der Erfindung ausgebildet ist, aufweisend zumindest die folgenden Verfahrensschritte, die in der angegebenen oder einer anderen fachgerechten Reihenfolge durchgeführt werden können:
- (i) Gießen des Gehäuses mit dem vorgesehenen Ausnehmungsdurchmesser der Ausnehmungsflächen und einem Aufmaßdurchmesser der Aufnahmeflächen, der kleiner ist als der Aufnahmedurchmesser, und/oder (ii) Spanen, insbesondere Drehen, des Aufnahmedurchmessers der Aufnahmeflächen, und/oder (iii) Einbringen, insbesondere Einspritzen, der Umfangsdichtungen; und/oder (iv) längsaxiales Einpressen des Stators zwischen die Aufnahmeflächen und die Umfangsdichtungen; und/oder (v) Einpressen des Stators, bis eine Anlagefläche des Statorkerns an dem Axialanschlag des Gehäuses anliegt.
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Damit ist die Statormontage in einem Schritt prozesssicher und/oder ohne weitere Positionskontrolle möglich.
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Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, eine trockenlaufende elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem einwandigen Gehäuse auszubilden, aber trotzdem eine Fluidkühlung des Statorkernaußenmantels zu erreichen.
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Eine Besonderheit der vorliegenden Statoranordnung ist, dass der Kühlfluidkanal durch radial abgesetzte Kontaktflächen zwischen dem Gehäuse und dem Stator gebildet wird, es sich aber zunächst um einen offenen Kühlmedienkanal handelt, bei dem die Kontur des Kühlfluidkanals im Gehäuse ausgebildet ist.
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Erst nach dem Fügen des Stators mit seinem Statorkernaußenmantel an mehreren Aufnahmeflächen des Gehäuses ist der Kühlmedienkanal vollständig ausgeprägt: durch den Statorkernaußenmantel radial innen, durch die Ausnehmungsflächen am Gehäuse radial außen.
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Die Abdichtung des Kühlfluidkanals erfolgt über Dichtungselemente, hier Umfangsdichtungen (beispielsweise über zwei im Gehäuse angespritzte, umlaufende Dichtungen).
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Das Kühlfluid strömt direkt auf der Manteloberfläche des Stators und kühlt diesen somit besonders effektiv; eine zusätzliche, innen liegende Gehäusewand wie es bei doppelwandigen Gehäusen der Fall ist und welche die Kühlwirkung reduziert, entfällt.
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Insbesondere liegen die radial abgesetzten Kontaktflächen und die Dichtflächen für die umlaufende Dichtung im Gehäuse auf demselben Durchmesser, so dass sich ein in sich abgeschlossener Kühlkreislauf ergibt. Da das Kühlmedium nicht mit den inneren Bauteilen (Aktivteilen) der elektrischen Antriebsmaschine in Kontakt tritt, spricht man von einem sogenannten „trockenen“ Antrieb.
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Dieses Konzept ist hinsichtlich seiner einfachen Umsetzbarkeit, der Fertigung und Bearbeitung der einzelnen Bauteile (es müssen im Gehäuse lediglich die Aufnahmeflächen bearbeitet werden; die Ausnehmungsflächen sind durch die unbearbeitete Gusskontur dargestellt) und deren Montage sowie der sehr guten (direkten) Kühlwirkung aus technischer und wirtschaftlicher Sicht besonders erstrebenswert.
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Gemäß einer Ausführung sind beide Umfangsdichtungen an dem Gehäuse ausgebildet. Das ermöglicht eine Montage des Stators im Gehäuse mittels Presssitz aufgrund einer Übermaßpassung bei gleichzeitiger Ausbildung der Dichtwirkung der Umfangsdichtungen in einem einzigen Schritt. Insbesondere sind die Umfangsdichtungen jeweils an dem gesamten Umfang an dem Gehäuse angespritzt.
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Insbesondere ist an einem Gehäuseinnenmantel für beide Umfangsdichtungen jeweils eine Dichtringaufnahme und/oder die Umfangsdichtung mit einem eingelegten Dichtring ausgebildet. Damit kann der Montagevorteil auch mit Standard-Dichtungskomponenten erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführung weisen beide Umfangsdichtungen identische Dichtdurchmesser auf. Damit kann der Montagevorteil mit einem Stator mit gleichbleibendem Statorkernaußendurchmesser erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführung ist auf einer Abtriebsseite des Gehäuses und/oder auf einer der Statormontageöffnung gegenüberliegenden Seite des Gehäuses ein Axialanschlag zur Festlegung des Statorkerns an einer im Betrieb voresehenen LänasaxialDosition vorgesehen. Damit ist die Statormontage in einem Schritt prozesssicher und ohne weitere Positionskontrolle möglich.
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Gemäß einer Ausführung weisen die Aufnahmeflächen einen Aufnahmedurchmesser auf, der so ausgebildet ist, dass die Aufnahmeflächen und ein Außenmantel des Statorkerns einen Pressverband ausbilden, der dazu eingerichtet ist, Betriebsdrehmomente des Stators gegen das Gehäuse abzustützen. So wird eine dauerfeste Abstützung des Stators an dem Gehäuse erreicht.
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Gemäß einer Ausführung weisen die Ausnehmungsflächen einen Ausnehmungsdurchmesser auf, der größer als der Aufnahmedurchmesser und dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Kühlkanal auszubilden. So kann eine Statormantelgehäusekühlung einwandig ausgeführt werden, mit Vorteilen hinsichtlich Wärmeabfuhr und benötigtem Radialbauraum.
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Gemäß einer Ausführung sind über den gesamten Umfang des Statorkernaußenmantels in Umfangsrichtung abwechselnd Aufnahmeflächen und Ausnehmungsflächen angeordnet. Das ermöglicht eine gleichmäßige Drehmomentabstützung im Gehäuse, kombiniert mit einer gleichmäßig auf den Statorkernaußenmantel verteilten Wärmeabfuhr.
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Gemäß einer Ausführung ist an jedem längsaxialen Rand der Statorkernaufnahme zwischen den beiden Umfangsdichtungen, insbesondere dazu nur derart minimal beabstandet, dass die Dichtwirkung nicht beeinflusst wird, jeweils ein Kühlfluidanschluss angeordnet. In Kombination mit axial verlaufenden Kühlkanälen kann damit ein optimierter Kühlfluidfluss erreicht werden, insbesondere hinsichtlich einer maximalen Wärmeabfuhr.
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Gemäß einer Ausführung ist im Axialbereich eines Kühlmittelanschlusses eine umlaufende Ausnehmungsfläche angeordnet, die insbesondere gemeinsam mit dem Statorkernaußenmantel einen Kühlfluidsammelkanal ausbildet. So kann das Kühlfluid in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt den einzelnen, axial verlaufenden Kühlkanälen zugeführt werden.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren:
- 1 zeigt in einer schematischen Schrägansicht und mit einer Detailansicht ein Gehäuse einer Statoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung vor einem Fügen des Stators.
- 2 zeigt in einer Schnittansicht und mit einer Detailansicht die Statoranordnung der 1 mit gefügtem Stator.
- 3 zeigt eine weitere Schnittansicht der Statoranordnung der 2.
- 4 zeigt eine perspektivische Darstellung der Gesamtheit der Kühlfluidleitungen der Statoranordnung der 2 und 3.
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In den Figuren ist ein beispielhafte Ausführung einer Statoranordnung 1 für eine elektrische Antriebsmaschine 2 eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Die Statoranordnung 1 weist ein Gehäuse 4 auf, das in den 1 dargestellt ist, sowie einen Stator 6, der in den 2 und 3, nicht aber in 1 dargestellt ist. 1 zeigt einen Zustand vor einer Montage des Stators 6 in das Gehäuse 4.
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In 1 ist eine Statorkernaufnahme 8 des Gehäuses 4 mit Aufnahmeflächen 10 zur Abstützung eines Statorkerns 12 des Stators 6 an dem Gehäuse 4 dargestellt. Die Aufnahmeflächen sind an einem Innenmantel des Gehäuses 4 ausgebildet.
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Bezogen auf eine Längsachse L der Statoranordnung 1 sind in einem längsaxialen Bereich der Statorkernaufnahme 8 an dem Gehäuseinnenmantel abwechselnd mit den Aufnahmeflächen 10 zusätzlich Ausnehmungsflächen 14 angeordnet, die radial einen größeren Innendurchmesser aufweisen als die Aufnahmeflächen 10.
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Die 2 und 3 zeigen, dass die Ausnehmungsflächen 14 dazu ausgebildet sind, nach einer Montage des Stators 6 in dem Gehäuse 4 gemeinsam mit einem Statorkernaußenmantel des Statorkerns 12 Kühlkanäle 16 zur Kühlung des Statorkerns 12 auszubilden.
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Beiderseits längsaxial der Ausnehmungsflächen 14 ist jeweils eine Umfangsdichtung 18a, 18b angeordnet, die dazu ausgebildet ist, ein Austreten von Kühlfluid aus den Kühlkälen 16 hin zu einem Statorwickelkopf 20 des Stators 6 zu verhindern.
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Aufgrund des einwandigen Gehäuses 4 wird die Kühlung des Stators 6 erheblich verbessert; der Wärmeleitpfad geht per Wärmeübergang direkt vom Stator 6 an ein Kühlfluid in den Kühlkanälen 16. Der Bearbeitungsaufwand des gegossenen Gehäuses 4 ist reduziert, da nur die radial abgesetzten (kleineren) Durchmesser der Aufnahmeflächen 10 für die Aufnahme des Statorkerns 12 und die Abstützung des Drehmoments im Gehäuse bearbeitet werden müssen. Darüber hinaus ist nahezu die komplette Struktur des Kühlkanals - sprich insbesondere die Ausnehmungsflächen 14 - in der Gusskontur des Gehäuses 4 integriert und muss größtenteils nicht bearbeitet werden.
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Beide Umfangsdichtungen 18a und 18b sind an einem Gehäuseinnenmantel des Gehäuses 4 ausgebildet und über den gesamten Umfang an dem Gehäuse angespritzt. Das ermöglicht eine Montage des Stators im Gehäuse mittels Presssitz aufgrund einer Übermaßpassung bei gleichzeitiger Ausbildung der Dichtwirkung der Umfangsdichtungen in einem einzigen Schritt. Beide Umfangsdichtungen 18 weisen identische Dichtdurchmesser auf. Damit kann der Montagevorteil mit einem Stator mit gleichbleibendem Statorkernaußendurchmesser erreicht werden.
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Auf der Abtriebsseite des Gehäuses 4 und/oder auf einer der Statormontageöffnung gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 4 ist ein Axialanschlag 22 zur Festlegung des Statorkerns 12 an einer im Betrieb vorgesehenen Längsaxialposition vorgesehen. Damit ist die Statormontage in einem Schritt prozesssicher und ohne weitere Positionskontrolle möglich.
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Die Aufnahmeflächen 10 weisen einen Aufnahmedurchmesser auf, der so ausgebildet ist, dass die Aufnahmeflächen und ein Außenmantel des Statorkerns 12 einen Pressverband ausbilden, der dazu eingerichtet ist Betriebsdrehmomente des Stators gegen das Gehäuse abzustützen. So wird eine dauerfeste Abstützung des Stators an dem Gehäuse erreicht.
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Die Ausnehmungsflächen 14 weisen einen Ausnehmungsdurchmesser auf, der größer als der Aufnahmedurchmesser und dazu eingerichtet ist, die Kühlkanäle 16 auszubilden. So kann eine Statormantelgehäusekühlung einwandig ausgeführt werden, mit Vorteilen hinsichtlich Wärmeabfuhr und benötigtem Radialbauraum.
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An jedem längsaxialen Rand der Statorkernaufnahme 8 ist jeweils längsaxial zwischen den beiden Kühlkanälen einer der beiden Umfangsdichtungen 14a und 14b ein Kühlfluidanschluss 24 angeordnet, einerseits eine Kühlfluidzuführung 24a und andererseits eine Kühlfluidabführung 24b. Im Längsaxialbereich der Kühlmittelanschlüsse 24 ist jeweils eine umlaufende Ausnehmungsfläche angeordnet, die insbesondere gemeinsam mit dem Statorkernaußenmantel 13 einen Kühlfluidsammelkanal 26 ausbildet. So kann das Kühlfluid in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt den einzelnen, axial verlaufenden Kühlkanälen 16 zugeführt werden.
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Wie in der perspektivischen Darstellung der Gesamtheit der Kühlfluidleitungen in 4 ersichtlich, kann in Kombination mit den axial verlaufenden Kühlkanälen 16 daher ein optimierter Kühlfluidfluss erreicht werden, insbesondere hinsichtlich einer maximalen Wärmeabfuhr.
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Wie sich aus dem Vergleich der Darstellungen von 1 (Gehäuse ohne Stator) und 2 (Statoranordnung mit Stator nach dessen Montage) ergibt, ist ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der Statoranordnung der 1 bis 3 einfach und prozesssicher durchführbar.
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Dazu werden die folgenden Verfahrensschritte in der angegebenen oder einer anderen fachgerechten Reihenfolge durchgeführt:
- (i) Gießen des Gehäuses 4 mit dem vorgesehenen Ausnehmungsdurchmesser der Ausnehmungsflächen 14 und einem Aufmaßdurchmesser der Aufnahmeflächen 10, der kleiner ist als der Aufnahmedurchmesser. Dieser Schritt wurde in der Darstellung der 1 bereits zuvor durchgeführt.
- (ii) Drehen des Aufnahmedurchmessers der Aufnahmeflächen 10. Auch dieser Schritt wurde in der Darstellung der 1 bereits zuvor durchgeführt.
- (iii) Einspritzen der beiden Umfangsdichtungen 14a und 14b. Auch dieser Schritt wurde in der Darstellung der 1 bereits zuvor durchgeführt.
- (iv) Längsaxiales Einpressen des Stators 6 zwischen die Aufnahmeflächen 10 und die Umfangsdichtungen 14, bis eine Anlagefläche des Statorkerns 12 an dem Axialanschlag 22 des Gehäuses 4 anliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Statoranordnung
- 2
- elektrische Antriebsmaschine
- 4
- Gehäuse
- 6
- Stator
- 8
- Statorkernaufnahme
- 10
- Aufnahmeflächen
- 12
- Statorkern
- 13
- Statorkernaußenmantel
- 14
- Ausnehmungsflächen
- 16
- axiale Kühlkanäle
- 18a, 18b
- Umfangsdichtung
- 20
- Statorwickelkopf
- 22
- Axialanschlag
- 24
- Kühlfluidanschluss
- 24a
- Kühlfluidzuführung
- 24b
- Kühlfluidabführung
- 26
- Kühlfluidsammelkanal
- 26a
- Kühlfluidsammelkanal nach Kühlfluidzuführung
- 26b
- Kühlfluidsammelkanal vor Kühlfluidabführung
- L
- Längsachse
