WO2018211088A1 - Elektrische maschine, insbesondere für ein fahrzeug - Google Patents

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WO2018211088A1 PCT/EP2018/063140 EP2018063140W WO2018211088A1 WO 2018211088 A1 WO2018211088 A1 WO 2018211088A1 EP 2018063140 W EP2018063140 W EP 2018063140W WO 2018211088 A1 WO2018211088 A1 WO 2018211088A1
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coolant
stator
electrical machine
machine according
chamber
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PCT/EP2018/063140
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Mirko HOERZ
Hans-Ulrich Steurer
Josef Sonntag
Stojan Markic
Andrej LICEN
Aleks MEDVESCEK
Peter Sever
Philip GRABHERR
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Mahle International Gmbh
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Definitions

  • Electric machine in particular for a vehicle
  • the invention relates to an electric machine, in particular for a vehicle, as well as a vehicle with such a machine.
  • Such an electrical machine may generally be an electric motor or a generator.
  • the electric machine can be designed as an external rotor or as an internal rotor.
  • a generic machine for example from US 5,214,325. It comprises a housing which surrounds an interior space and which has a jacket radially surrounding the interior in a circumferential direction of the housing, axially on the one hand an axially delimiting the rear wall and axially on the other hand an axially delimiting the front side wall.
  • Firmly connected to the jacket is a stator of the machine.
  • a rotor of the machine is arranged, wherein a rotor shaft of the rotor is rotatably supported via a front shaft bearing on the front side wall.
  • the stator of a conventional electric machine comprises stator windings which are electrically energized during operation of the machine. This creates heat that must be dissipated to avoid overheating and associated damage or even destruction of the stator.
  • a cooling device for cooling the stator - in particular said stator windings.
  • Such a cooling device comprises one or more cooling channels through which a coolant flows and in the vicinity of Stator windings are arranged in the stator. Heat can be removed from the stator by transferring heat from the stator windings to the coolant.
  • an object of the present invention to provide an improved embodiment for an electric machine, in which this disadvantage is largely or even completely eliminated.
  • an improved embodiment for an electric machine is to be created, which is characterized by improved cooling of the stator windings of the stator.
  • the basic idea of the invention is therefore to embed the stator windings of an electrical machine in a plastic mass of an electrically insulating plastic, in which a coolant distributor space and a coolant collector space for a coolant is provided, which absorbs the waste heat generated by the stator windings by thermal interaction.
  • the plastic is used as a heat transfer medium for transferring heat from the stator windings to the coolant.
  • thermosetting plastics are suitable. Since the plastic also has the properties of an electrical insulator, it is ensured at the same time that the stator windings to be cooled by the plastic are not undesirably electrically short-circuited. Thus, even with high waste heat development in the stator, as occurs, for example, in a high-load operation of the electric machine, it can be ensured that the resulting waste heat can be removed from the stator. Damage or even destruction of the electrical machine due to overheating of the stator can thus be avoided.
  • the preparation of the plastic mass substantially in accordance with the invention with the coolant distributor chamber or coolant collector chamber formed therein can be effected by means of injection molding, in which the stator windings to be cooled are encapsulated with the plastic.
  • the embedding of the stator windings and the cooling channel in the plastic material is therefore very simple.
  • the coolant can be distributed starting from the formed in the plastic mass coolant accumulator chamber to a plurality of cooling channels, in which the coolant absorbs heat by thermal interaction of the stator windings. After flowing through the cooling channels, the coolant can be collected in the coolant collector chamber. Since the coolant distributor chamber and the coolant collector chamber are arranged according to the invention in the plastic compound, the coolant present in the coolant distributor chamber can be used for cooling the stator winding even before being distributed to the cooling channels. The same applies to the coolant collected after flowing through the cooling channels in the coolant collector chamber. As a result, thus improved cooling of the stator windings is achieved.
  • An electric machine in particular for a vehicle, comprises a rotor which is rotatable about an axis of rotation. Through the rotati Onsachse an axial direction of the electric machine is defined.
  • the machine further includes a stator having a plurality of stator windings.
  • the machine further comprises a coolant distribution chamber and an axially spaced-apart coolant collecting chamber.
  • the coolant distribution chamber communicates for cooling the waste heat generated by the stator winding and fluidically with the coolant collecting chamber by means of at least one cooling channel through which a coolant can flow.
  • at least two, more preferably a plurality of such cooling channels are provided.
  • the at least one stator winding is at least partially, preferably completely, embedded in a plastic compound of an electrically insulating plastic for thermal coupling.
  • the coolant distributor chamber and / or the coolant collector chamber are at least partially formed or arranged in the plastic compound for thermal coupling to the at least one stator winding.
  • the at least one cooling channel is embedded in the at least one plastic mass of the plastic. This ensures good thermal coupling of the coolant flowing through the cooling channel to the relevant stator windings.
  • the coolant distributor chamber and / or the coolant collector chamber are formed by a cavity provided at least partially, preferably completely, in the plastic mass.
  • the stator has extending along the axial direction and along a circumferential direction. are mutually arranged stator teeth, which carry the stator windings.
  • the plastic compound is arranged with the at least one cooling channel and with the at least one stator winding in a gap, which is formed between two stator teeth adjacent in the circumferential direction. This measure ensures a particularly good heat transfer between the stator windings and the cooling channel, since the cooling channel is arranged in the intermediate space in the immediate vicinity of the stator windings to be cooled.
  • said gap between the stator teeth can be used in the production of the plastic compound in the manner of a casting mold into which the plastic of the plastic compound is injected. This simplifies the production of Kunststoffmas- se, since the provision of a separate mold can be omitted.
  • the at least one plastic mass protrudes axially, preferably on both sides, out of the intermediate space.
  • the plastic compound present in the respective intermediate space can also be used to delimit the coolant distributor chamber or coolant collector chamber.
  • the coolant distributor chamber and / or the coolant collector chamber may expediently have an annular geometric shape in a cross section perpendicular to the axis of rotation of the rotor. Particularly preferred is the geometry of an open or closed ring. This allows the arrangement of a plurality of cooling channels spaced from each other along the circumferential direction of the stator.
  • the at least one plastic mass at least partially limits the coolant distributor space and / or the coolant collector space.
  • the provision of a separate housing can thus be omitted.
  • the coolant distributor chamber and / or the coolant collector chamber is arranged radially outside and / or radially inward on the first and second end section of the at least one stator winding. Since the coolant distributor chamber or coolant collector chamber is thus arranged directly with respect to the radial direction adjacent to the stator windings to be cooled, an effective thermal coupling of the coolant distributor chamber or coolant collector chamber to the stator windings to be cooled is achieved in this way.
  • the coolant distributor chamber and / or the coolant collector chamber form an axial extension of the stator winding or are each arranged in an axial extension of the stator winding.
  • the coolant distributor chamber and / or the coolant collector chamber axially adjoin the at least one stator winding. Since the coolant distributor chamber or coolant collector chamber is thus arranged directly adjacent to the stator windings to be cooled with respect to the axial direction, an effective thermal coupling of the coolant distributor chamber or coolant collector chamber to the stator windings to be cooled is achieved in this way.
  • the coolant accumulator space and / or the coolant distributor chamber radially and externally and / or radially inwardly and axially close to the at least one stator winding, preferably at the first and second axial end portion, at.
  • the coolant distributor chamber and / or the coolant collector chamber surrounds the rotor in a longitudinal section along the axis of rotation of the rotor first and second axial end portion of the at least one stator winding U-shaped.
  • the stator is arranged along the axial direction between a first and a second bearing plate, which lie opposite one another in the axial direction.
  • a part of the coolant distribution chamber is arranged in the first bearing plate.
  • a part of the coolant collecting chamber is arranged in the second end shield.
  • a coolant supply is formed in the first bearing plate, which connects the coolant distributor space fluidly with an outside, preferably frontally or peripherally provided on the first bearing plate coolant inlet.
  • a coolant discharge is formed in the second bearing plate, which connects the coolant reservoir chamber fluidly with an outside, preferably frontally or peripherally provided on the second bearing plate coolant outlet.
  • the coolant supply can be thermally connected to a first bearing plate provided in the first shaft bearing for rotatably supporting the stator.
  • the coolant discharge can be thermally connected to a provided in the second bearing plate second shaft bearing for rotatably supporting the stator.
  • the electrically insulating plastic of the plastic mass comprises a thermoset or is a thermosetting plastic.
  • the electrically insulating plastic of the plastic mass may comprise a thermoplastic or be a thermoset.
  • a combination of a thermoset and a thermoplastic is conceivable in a further variant.
  • a further preferred embodiment proposes to form the at least one cooling channel as a tubular body which surrounds a tubular body interior.
  • at least one separating element is formed on the tubular body, which subdivides the tubular body interior into at least two fluid cooling channels that are separated from each other by fluid.
  • the tubular body may be formed as a flat tube with two broad sides and two narrow sides.
  • the plastic compound is an injection molding compound made of an electrically insulating plastic.
  • the entire plastic mass so in particular arranged in the spaces between the stator teeth and the coolant distribution space and the coolant accumulator space limiting plastic mass, integrally formed. This measure simplifies the production of the electric machine, which involves cost advantages.
  • the stator comprises a, preferably annular, stator body, from which protrude the stator teeth.
  • the plastic mass of the electrically insulating plastic is arranged on an outer peripheral side of the stator body and preferably forms a plastic coating on this outer peripheral side.
  • the stator can be electrically isolated from the environment.
  • the provision of a separate housing for receiving the stator body can thus be omitted.
  • a coating of at least one or both end sides of the stator body with the plastic compound is also conceivable in an optional variant.
  • the plastic material, the stator preferably completely, wrap.
  • the plastic mass surrounds at least one axially projecting from the gap of the stator body winding section at least one stator winding and thereby partially delimits the coolant distribution chamber and / or the coolant collector space, so that this winding section of the stator winding is electrically insulated from the coolant. An undesired electrical short circuit of the coolant with the stator winding during operation of the electric machine is prevented in this way.
  • the coolant distribution chamber communicates by means of a plurality of cooling channels fluidly with the coolant distribution chamber.
  • the plurality of cooling channels extend, spaced from each other, along the axial direction. This measure ensures that all axial sections of the stator windings are cooled.
  • the cooling channels are arranged along a circumferential direction of the stator at a distance from each other. This measure ensures that all the stator windings are cooled along the circumferential direction.
  • the coolant distributor space and / or coolant collector space is arranged exclusively in an axial extension of the stator body adjacent thereto.
  • the coolant distributor chamber or the coolant collector chamber does not project along a radial direction of the stator body or stator this out. This embodiment requires only very little installation space in the radial direction.
  • At least one stator winding is particularly preferably designed such that it is electrically isolated from the coolant and the stator body at least in the area within the respective intermediate space during operation of the electrical machine. This is especially preferred for all stator windings of the electrical machine. An unwanted electrical short circuit of the stator winding with the
  • Stator body or - during operation of the electric machine - with the coolant is prevented in this way.
  • This electrical insulation of the at least one stator winding from the stator body, preferably also from the stator teeth delimiting the gap, is completely expediently formed completely by the plastic compound and / or by the additional electrical insulation already mentioned above. The provision of a further electrical insulation can be omitted in this way.
  • the additional electrical insulation within the gap extends over the entire length of the gap measured along the axial direction so as to isolate the stator winding from the stator body and from the gap defining stator teeth.
  • the additional electrical insulation encloses the stator winding within the intermediate space over at least the entire length of the intermediate space along its circumference.
  • the at least one stator winding is also electrically insulated from the cooling channel designed as a tubular body. profiled.
  • the electrical insulation is formed by the plastic compound and / or the additional insulation.
  • the plastic mass surrounds at least partially a stator winding projecting axially out of the intermediate space and at least partially delimits the coolant distributor space and / or the coolant collector space, so that the stator winding is electrically insulated from the coolant during operation of the machine.
  • stator windings can be part of a distributed winding.
  • the invention further relates to a vehicle, in particular a motor vehicle with a previously presented electric machine.
  • a vehicle in particular a motor vehicle with a previously presented electric machine.
  • FIG. 1 shows an example of an electrical machine according to the invention in a longitudinal section along the axis of rotation of the rotor
  • FIG. 2 shows the stator of the electric machine according to FIG. 1 in a cross section perpendicular to the axis of rotation of the rotor
  • FIG. 3 shows a detail of the stator of FIG. 2 in the region of a gap between two stator teeth which are adjacent in the circumferential direction
  • FIG. 4 shows a first variant of the electric machine of FIG. 1, in which the coolant flowing through the cooling channels is also used to cool the shaft bearings of the rotor,
  • FIG. 5 shows a second variant of the electric machine according to FIG. 1, which requires very little installation space
  • Fig. 6 shows a third variant of the machine according to Figure 1, which allows a particularly effective cooling of the stator windings.
  • FIG. 1 illustrates an example of an electrical machine 1 according to the invention in a sectional representation.
  • the electric machine 1 is dimensioned so that it can be used in a vehicle, preferably in a road vehicle.
  • the electric machine 1 comprises a rotor 3, which is only roughly illustrated in FIG. 1, and a stator 2.
  • the stator 2 in FIG. 2 is arranged in a cross-section perpendicular to the axis of rotation D along the cutting line. never II - II of Figure 1 shown in a separate representation.
  • the rotor 3 has a rotor shaft 31 and can have a plurality of magnets (not shown in detail in FIG. 1) whose magnetic polarization alternates along the circumferential direction U.
  • the rotor 3 is rotatable about a rotation axis D whose position is determined by the central longitudinal axis M of the rotor shaft 31.
  • an axial direction A is defined, which extends parallel to the rotation axis D.
  • a radial direction R is perpendicular to the axial direction A.
  • a circumferential direction U rotates about the rotation axis D.
  • the rotor 3 is arranged in the stator 2.
  • the electrical machine 1 shown here is a so-called internal rotor. It is also conceivable, however, a realization as a so-called external rotor, in which the rotor 3 is arranged outside of the stator 2.
  • the rotor shaft 31 is rotatably mounted on the stator 2 in a first shaft bearing 32a and, axially spaced therefrom, in a second shaft bearing 32b about the rotation axis D.
  • the stator 2 also comprises, in a known manner, a plurality of stator windings 6 which can be electrically energized to produce a magnetic field. Magnetic interaction of the magnetic field generated by the magnets of the rotor 3 with the magnetic field generated by the stator windings 6 causes the rotor 3 to rotate.
  • the stator 2 may have an annular stator body 7, for example made of iron.
  • the stator body 7 can be formed from a plurality of stator body plates (not shown) stacked on each other along the axial direction A and glued together.
  • a plurality of stator teeth 8 are formed radially inwardly, which extend along the axial direction A, protrude radially inwardly away from the stator body 7 and spaced along the circumferential direction U zueinan- which are arranged.
  • Each stator tooth 8 carries a stator winding 6.
  • the individual stator windings 6 together form a winding arrangement. Depending on the number of magnetic poles to be formed by the stator windings 6, the individual stator windings 6 of the entire winding arrangement can be electrically wired together.
  • stator windings 6 During operation of the machine 1, the electrically energized stator windings 6 generate waste heat which has to be removed from the machine 1 in order to prevent overheating and the associated damage or even destruction of the machine 1. Therefore, the stator windings 6 are cooled by means of a coolant K which is passed through the stator 2 and receives the heat generated by the stator windings 6 by heat transfer.
  • the machine 1 comprises a coolant distributor chamber 4, in which a coolant K can be introduced via a coolant inlet 33.
  • a coolant collecting chamber 5 is arranged.
  • the coolant distributor chamber 4 communicates fluidly with the coolant collector chamber 5 by means of a plurality of cooling channels 10, of which only one can be seen in the representation of FIG each have an annular geometry.
  • a plurality of cooling channels 10 are arranged spaced from each other, each extending along the axial direction A from the annular coolant distributor space 4 to the annular coolant collecting chamber 5.
  • the coolant K introduced into the coolant distributor chamber 4 via the coolant inlet 33 can be distributed to the individual cooling channels 10. After flowing through the cooling channels 10 and the absorption of heat from the stator windings, the coolant K is collected in the coolant collecting chamber 5 and discharged from the machine 1 via a coolant outlet 34 provided on the stator 2.
  • stator windings 6 are arranged in intermediate spaces 9, which are formed between two stator teeth 8 adjacent in the circumferential direction U.
  • Said interspaces 9 are also known to those skilled in the art as so-called “stator slots” or “stator slots” which, like the stator teeth 8, extend along the axial direction A.
  • FIG. 3 shows a gap 9 formed between two stator teeth 8 adjacent in the circumferential direction U-also referred to below as stator teeth 8a, 8b-in a detailed representation.
  • a plastic compound 11 of an electrically insulating plastic is provided in each of the spaces 9 according to FIG.
  • the plastic compound 1 1 is an injection molding compound made of an electrically insulating plastic. The use of an injection molding process simplifies and accelerates the production of the plastic compound.
  • the plastic material 1 1 consists of a single plastic material.
  • the arranged in the gap 9 cooling channel 10 and arranged in the same space 9 stator winding 6 are embedded.
  • the stator winding 6 arranged in the interspace 9 according to FIG. 3 is in each case partially associated with a first stator winding 6a, which is supported by a first stator tooth 8a and is partially associated with a second stator winding 6b which extends from a first stator tooth 8a in the circumferential direction U adjacent second stator tooth 8b worn.
  • a virtual separation line 12 is shown in FIG.
  • the winding wires 13a shown on the left of the dividing line 12 in FIG. 3 belong to the stator winding 6a carried by the stator tooth 8a.
  • the winding wires 13b shown on the right of the dividing line 2 belong to the stator winding 6b supported by the stator tooth 8b.
  • an additional electrical insulation 15 made of an electrically insulating material is arranged in the respective gap 9 between the plastic compound 11 and the stator body 7 or the two stator teeth 8a, 8b delimiting the gap 9 in the circumferential direction U.
  • Particularly cost-effective proves an electrical insulation 15 made of paper.
  • the cooling channels 10 can each be formed by a tubular body 16, for example made of aluminum, which surrounds a tubular body interior 22.
  • one or more separating elements 18 may be formed on the tubular body 16 which subdivide the cooling channel 10 into subcooling channels 19 which are fluidically separated from one another.
  • the flow behavior of the coolant K in the cooling channel 10 can be improved, whereby an improved heat transfer to the coolant K is accompanied.
  • the tubular body 16 is additionally mechanically stiffened in this way.
  • three such separating elements 18 are shown, so that four partial cooling channels 19 result.
  • the tube body 16 forming the cooling channel 10 is designed as a flat tube 17, which has two broad sides 20 and two narrow sides 21 in a cross section perpendicular to the axis of rotation D of the rotor 3 (see FIG. In the cross section perpendicular to the axial direction A shown in FIG. 3, the two broad sides 20 of the flat tube 17 extend perpendicular to the radial direction R.
  • a length of the two broad sides 20 is at least four times, preferably at least ten times, a length of the two narrow sides 21.
  • the cooling channels 10 are arranged radially outside the stator windings 6 in the respective intermediate space 9.
  • the radial distance of the cooling channels 10 to the axis of rotation D of the rotor 3 is thus greater than that of the stator windings 6 to the rotation axis D.
  • the cooling channels 10 formed by tubular bodies 16 or flat tubes 17 are first introduced into the intermediate spaces 9. Subsequently, the electrical insulation 15, for example made of paper, is inserted into the intermediate spaces 9. Thereafter, the stator windings 6 are arranged on the stator teeth 8 and thus also introduced into the interstices 9 and then overmoulded with the plastic material 1 1 resulting plastic material, for example a thermoset. In the course of the production of the plastic mass 1 1, the stator body 7 with the plastic material 1 1 resulting plastic, ie in particular with the thermoset, are overmolded. Likewise, in the course of the injection process, the coolant distributor 4 and the coolant collector 5 are produced.
  • the integrally formed plastic mass 1 1 can protrude axially on both sides of the spaces 9. This also allows the cooling Medium distribution chamber 4 and, alternatively or additionally, thedemediumammler- space 5 for thermal coupling to axial end portions 14a, 14b of the respective stator winding 6 to embed in the plastic mass 1, which are arranged axially outside the respective gap 9.
  • the one plastic compound 1 1 limits the coolant distributor chamber 4 and the coolant collector chamber 5 at least partially.
  • the stator 2 with the stator body 7 and the stator teeth 8 is arranged axially between a first and a second end shield 25a, 25b.
  • part of the coolant distributor chamber 4 is arranged in the first end shield 25a and part of the coolant reservoir 5 is arranged in a second end shield 25b.
  • the coolant distribution chamber 4 is thus limited both by the first end shield 25a and by the plastic compound 11. Accordingly, the coolant collector chamber 5 is bounded both by the second bearing plate 25b and by the plastic compound 11.
  • the coolant distributor chamber 4 and the coolant collector chamber 5 are each partially realized by a cavity 41 a, 41 b formed in the plastic compound 11.
  • the first cavity 41 a is supplemented by a formed in the first bearing plate 25 a cavity 42 a to the coolant distribution chamber 4.
  • the second cavity 41 b is supplemented by a formed in the second bearing plate 25 b cavity 42 b to the coolant plenum 5.
  • a coolant supply 35 can be formed in the first end shield 25a, which connects the coolant distribution chamber 4 fluidically with a coolant inlet 33 provided on the outside, in particular as shown in FIG. 1, on the first end shield 25a.
  • a coolant outlet 36 can accordingly be formed which fluidly connects the coolant collector chamber 4 with a coolant inlet 34 provided on the outside, in particular as shown in FIG. 1, on the bearing plate 25b.
  • This allows an arrangement of the coolant distributor chamber 4 or of the coolant collector chamber 5 in each case radially outwardly at the first or second end section 14a, 14b of the relevant stator winding 6 and also in the extension of these end sections 14a, 14b along the axial direction A.
  • thermally particularly stressed end portions 14a, 14b of the stator windings 6 can be cooled particularly effectively in this way.
  • the intermediate space 9 comprises a first subspace 9c, in which the stator winding 6 is arranged, and a second subspace 9d, in which the cooling channel 10 is arranged and which supplements the first subspace 9c to the intermediate space 9.
  • a fixing device 27 may be arranged between the two subspaces, by means of which the cooling channel 10 is fixed in the second subspace 9d.
  • Said fixing device 27 comprises two projections 28a, 28b, which are formed on the two adjacent in the circumferential direction U and the gap 9 limiting stator teeth 8a, 8b.
  • the two projections 28a, 28b face each other in the circumferential direction U and protrude into the intermediate space for fixing the cooling channel.
  • the protrusions 28a, 28b act as a radial stop for the cooling channel 10 formed as a tubular body 16 or flat tube 17, which causes undesired movement of the cooling channel 10, in particular during production of the injection molding compound (s) 11 or 11a, 11b Injection molding prevents radially inward. According to FIG.
  • the plastics material 1 1 made of the electrically insulating plastic can also be arranged on an outer circumferential side 30 of the stator body 7 and thus form a plastic coating 11 1 on the outer peripheral side 30.
  • the stator body 7 of the stator 2 which is typically formed of electrically conductive stator plates, can be electrically insulated from the environment. The provision of a separate housing for receiving the stator body 7 can thus be omitted.
  • FIG. 4 shows a variant of the example of FIG. 1 in the longitudinal section along the axis of rotation D of the rotor 3.
  • the coolant supply 35 can be thermally connected to the one in FIG first bearing plate 25a arranged, first shaft bearing 32a be coupled.
  • the coolant discharge 36 can be thermally coupled to the second shaft bearing 32b arranged in the second end shield 25b.
  • a separate cooling device for cooling the shaft bearings 32a, 32b can be omitted in this way, resulting in cost advantages.
  • FIG. 1 shows a variant of the example of FIG. 1 in the longitudinal section along the axis of rotation D of the rotor 3.
  • the coolant inlet 33 and the coolant outlet 34 are provided on the outer end side 26a and 26b, respectively, of the first and second end shields 25a, 25b.
  • the stator windings 6 are arranged radially inside the cooling channels 10 with respect to the radial direction R.
  • the stator windings 6 are led out of the stator 2 to the outside with an electrical connection 50 through a bushing 39 provided in the second end shield 25b, so that they can be electrically energized from the outside.
  • the bushing 39 is arranged with respect to the radial direction R between the coolant distributor chamber 4 and the coolant collector chamber 5 and the axis of rotation D.
  • the coolant distribution chamber 4 and the coolant accumulator chamber 5 are arranged exclusively in the axial extension of the cooling channels 10.
  • This variant requires for the coolant distribution chamber 4 and for the coolant collecting chamber 5 very little space.
  • the stator windings 6 are arranged radially within the cooling channels 10 with respect to the radial direction R. Conceivable, however, is alternatively or additionally also an arrangement radially outside the cooling channels 10.
  • the stator windings 6 are led out of the stator 2 out of the stator 2 by means of an electrical connection 50 through a bushing 39 provided in the second end shield 25b, so that they are electrically energized from the outside can.
  • the bushing 39 is arranged radially outside the coolant distributor chamber 4 or the coolant collector chamber 5 in the second bearing plate 25b.
  • the coolant distributor chamber 4 surrounds the first axial end section 14a of the respective stator winding 6 in a U-shaped or C-shaped manner, ie along its immediate axial extension, as well as radially inward and radially outward, in the longitudinal section along the axis of rotation D shown in FIG.
  • the coolant collector chamber 5 surrounds the second axial end section 14b of the respective stator winding 6 in a U-shaped or C-shaped manner, that is to say along its axial extension and radially inward and radially outward.
  • cooling channels 10 are provided both radially inside and also radially outside of the stator winding 6.
  • the respective stator windings 6, including their axial end sections 14a, 14b, are in thermal contact with the coolant K via the cooling channels 10 and via the coolant distributor chamber 4 and the coolant collector chamber 5. This allows effective cooling of the stator windings 6, including their axial ones End portions 14a, 14b, which is exposed during operation of the machine 1 thermally special loads.
  • the plastics material can also surround the winding section of the stator winding 6 projecting axially from the intermediate space 9 of the stator body, thereby partially delimiting the coolant distributor chamber 4 or the coolant collector chamber 5 so that the relevant stator winding 6 or the respective winding section of the stator winding 6 is electrically insulated from the coolant is, if this flows during operation of the machine 1 through the respective cooling channel 10.
  • the coolant distribution chamber 4 and the coolant collecting chamber 5 are arranged in an axial extension of the stator body 7 adjacent to this.
  • the coolant distributor chamber 4 or the coolant collector chamber 5 does not protrude beyond the radial direction R of the stator body 7 or stator 2.
  • the stator winding 6 is in each case designed such that it is electrically insulated from the coolant K and from the stator body 7 of the stator 2 during operation of the electric machine 1, at least in the area within the respective intermediate space 9. An undesired electrical short circuit of the stator winding 6 with the stator body 7 - during operation of the electric machine 1 - with the coolant K is prevented in this way.
  • an electrical insulation of the stator winding 6 relative to the stator body 7, preferably also opposite the stator 9 limiting the gap 9, completely by the plastic material and / or by - already mentioned above - additional electrical insulation 15 is formed.
  • the additional electrical insulation 15 extends within the gap 9 over the entire along the axial direction A measured length of the gap 9 so that it isolates the stator winding 6 from the stator 7 and / or from the stator 8.
  • the additional electrical insulation 15 encloses the stator winding 6 within the gap 9 over at least the entire length of the gap 9 along the circumferential boundary.
  • stator winding 6 is also electrically insulated from the cooling channel designed as a tubular body 16.
  • the electrical insulation is formed by the plastic compound and, alternatively or additionally, the additional electrical insulation 15.
  • the plastic compound 1 1 can at least partially surround a stator winding 6 protruding axially from the intermediate space 9 and at least partially delimit the coolant distributor chamber 4 and / or the coolant collector chamber 5, so that the stator winding 6 is electrically insulated from the coolant K during operation of the machine 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1), insbesondere für ein Fahrzeug, - mit einem Rotor (3), der um eine Rotationsachse (D) drehbar ist, durch welche eine axiale Richtung (A) der elektrischen Maschine (1) definiert ist, und mit einem Stator (2), der mehrere Statorwicklungen (6) aufweist; - mit einem Kühlmittelverteilerraum (3) und einem axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum (4), wobei der Kühlmittelverteilerraum (4) mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel (K) durchströmbaren Kühlkanals (10) fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum (5) kommuniziert; - wobei die zumindest eine Statorwicklung (6) zur thermischen Ankopplung an das Kühlmittel (K) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, in zumindest eine Kunststoffmasse (11) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet ist. - wobei der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsammlerraum (5) zur thermischen Ankopplung an die zumindest eine Statorwicklung (6) wenigstens teilweise in der zumindest einen Kunststoffmasse (11) angeordnet ist.

Description

Elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Maschine.
Bei einer derartigen elektrischen Maschine kann es sich allgemein um einen Elektromotor oder um einen Generator handeln. Die elektrische Maschine kann als Außenläufer oder als Innenläufer ausgebildet sein.
Eine gattungsgemäße Maschine ist beispielsweise aus der US 5,214,325 bekannt. Sie umfasst ein Gehäuse, das einen Innenraum umgibt und das einen in einer Umfangsrichtung des Gehäuses umlaufenden, den Innenraum radial begrenzenden Mantel, axial einerseits eine den Innenraum axial begrenzende Rückseitenwand und axial andererseits eine den Innenraum axial begrenzende Vorderseitenwand aufweist. Fest mit dem Mantel ist ein Stator der Maschine verbunden. Im Stator ist ein Rotor der Maschine angeordnet, wobei eine Rotorwelle des Rotors über ein vorderes Wellenlager an der Vorderseitenwand drehbar gelagert ist.
Typischerweise umfasst der Stator einer herkömmlichen elektrischen Maschine Statorwicklungen, die im Betrieb der Maschine elektrisch bestromt werden. Dabei entsteht Wärme, die zur Vermeidung einer Überhitzung und einer damit verbundenen Beschädigung oder gar Zerstörung des Stators abgeführt werden muss. Hierzu ist es aus herkömmlichen elektrischen Maschinen bekannt, diese mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Stators - insbesondere besagter Statorwicklungen - auszustatten. Eine solche Kühleinrichtung umfasst einen oder mehrere Kühlkanäle, die von einem Kühlmittel durchströmt werden und in der Nähe der Statorwicklungen im Stators angeordnet sind. Durch Wärmeübertragung von den Statorwicklungen auf das Kühlmittel kann Wärme vom Stator abgeführt werden.
Als nachteilig erweist sich dabei, dass ein effizienter Wärmeübergang vom Stator auf das durch den jeweiligen Kühlkanal strömende Kühlmittel nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand verbunden ist. Dies wirkt sich jedoch nachteilig auf die Herstellungskosten der elektrischen Maschine aus.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine zu schaffen, bei welcher dieser Nachteil weitgehend oder gar vollständig beseitigt ist. Insbesondere soll eine verbesserte Ausführungsform für eine elektrische Maschine geschaffen werden, welches sich durch eine verbesserte Kühlung der Statorwicklungen des Stators auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, die Statorwicklungen einer elektrischen Maschine in eine Kunststoffmasse aus einem elektrisch isolierende Kunststoff einzubetten, in welcher auch ein Kühlmittelverteilerraum sowie ein Kühlmittelsammlerraum für ein Kühlmittel vorgesehen ist, welches durch thermische Wechselwirkung die von den Statorwicklungen erzeugte Abwärme aufnimmt. Dabei wird der Kunststoff als wärmeübertragendes Medium zur Übertragung von Wärme von den Statorwicklungen auf das Kühlmittel genutzt.
Auf diese Weise wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Statorwicklungen und dem durch den Stator geführten Kühlmittel hergestellt. Dies gilt insbesondere, wenn ein Kunststoff verwendet wird, der eine hohe thermische Leit- fähigkeit aufweist. Hierzu eignen sich besonders sogenannte duroplastische Kunststoffe. Da der Kunststoff auch die Eigenschaften eines elektrischen Isolators besitzt, ist gleichzeitig sichergestellt, dass die zu kühlenden Statorwicklungen durch den Kunststoff nicht auf unerwünschte Weise elektrisch kurzgeschlossen werden. Somit kann auch bei hoher Abwärme-Entwicklung im Stator, wie sie beispielsweise in einem Hochlastbetrieb der elektrischen Maschine auftritt, sichergestellt werden, dass die anfallende Abwärme vom Stator abgeführt werden kann. Eine Beschädigung oder gar Zerstörung der elektrischen Maschine durch Überhitzung des Stators kann somit vermieden werden. Die Herstellung der erfindungswesentlichen Kunststoffmasse mit dem darin ausgebildeten Kühlmittelverteilerraum bzw. Kühlmittelsammlerraum kann mittels Spritzgießens erfolgen, bei welchem die zu kühlenden Statorwicklungen mit dem Kunststoff umspritzt werden. Die Einbettung der Statorwicklungen und des Kühlkanal in die Kunststoffmasse gestaltet sich daher sehr einfach.
Zur Kühlung der Statorwicklungen kann das Kühlmittel ausgehend vom in der Kunststoffmasse ausgebildeten Kühlmittelsammlerraum auf mehrere Kühlkanäle verteilt werden, in welchen das Kühlmittel durch thermische Wechselwirkung von den Statorwicklungen Abwärme aufnimmt. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle kann das Kühlmittel im Kühlmittelsammlerraum gesammelt werden. Da der Kühlmittelverteilerraum und der Kühlmittelsammlerraum erfindungsgemäß in der Kunststoffmasse angeordnet sind, kann das im Kühlmittelverteilerraum vorhandene Kühlmittel schon vor dem Verteilen auf die Kühlkanäle zur Kühlung der Statorwicklung verwendet werden. Entsprechendes gilt für das nach dem Durchströmen der Kühlkanäle im Kühlmittelsammlerraum gesammelte Kühlmittel. Im Ergebnis wird somit eine verbesserte Kühlung der Statorwicklungen erzielt.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug, umfasst einen Rotor, der um eine Rotationsachse drehbar ist. Durch die Rotati- onsachse wird eine axiale Richtung der elektrischen Maschine definiert. Die Maschine umfasst ferner einen Stator, der mehrere Statorwicklungen aufweist. Die Maschine umfasst ferner einen Kühlmittelverteilerraum und einen axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum. Der Kühlmittelverteilerraum kommuniziert zum Kühlen der von der Statorwicklung erzeugten Abwärme und mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanals fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum. Bevorzugt sind wenigstens zwei, besonders bevorzugt eine Mehrzahl solcher Kühlkanäle vorgesehen. Die zumindest eine Statorwicklung ist zur thermischen Kopplung zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, in eine Kunststoffmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet. Erfindungsgemäß sind der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum zur thermischen Ankopplung an die zumindest eine Statorwicklung wenigstens teilweise in der Kunststoffmasse ausgebildet bzw. angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Kühlkanal in die zumindest eine Kunststoffmasse aus dem Kunststoff eingebettet. Dies stellt eine gute thermische Ankopplung des durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittels an die betreffenden Statorwicklungen sicher.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum durch einen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in der Kunststoffmasse vorgesehenen Hohlraum ausgebildet. Die Bereitstellung einer separaten Umhüllung bzw. eines Gehäuses zur Begrenzung des Kühlmittelverteilerraums bzw. Kühlmittelsammlerraums kann somit entfallen. Damit gehen nicht unerhebliche Kostenvorteile einher.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform besitzt der Stator sich entlang der axialen Richtung erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung beab- standet zueinander angeordnete Statorzähne, welche die Statorwicklungen tragen. Bei dieser Ausführungsform ist die Kunststoffmasse mit dem zumindest einen Kühlkanal und mit der zumindest einen Statorwicklung in einem Zwischenraum angeordnet, welcher zwischen zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen ausgebildet ist. Diese Maßnahme stellt einen besonders guten Wärmeübergang zwischen den Statorwicklungen und dem Kühlkanal sicher, da der Kühlkanal in dem Zwischenraum in unmittelbarer Nachbarschaft zu den zu kühlenden Statorwicklungen angeordnet ist. Darüber hinaus kann besagter Zwischenraum zwischen den Statorzähnen bei der Herstellung der Kunststoffmasse in der Art einer Gussform verwendet werden, in welche der Kunststoff der Kunst- stoffmasse eingespritzt wird. Dies vereinfacht die Herstellung der Kunststoffmas- se, da die Bereitstellung einer separaten Gussform entfallen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ragt die zumindest eine Kunststoffmasse axial, vorzugsweise beidseitig, aus dem Zwischenraum heraus. Somit kann die im jeweiligen Zwischenraum vorhandene Kunststoffmasse auch zur Begrenzung des Kühlmittelverteilerraums bzw. Kühlmittelsammlerraums verwendet werden.
Zweckmäßig können der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse des Rotors eine ringförmige geometrische Formgebung besitzen. Als besonders bevorzugt ist dabei die Geometrie eines offenen oder geschlossenen Rings anzusehen. Dies erlaubt die Anordnung einer Mehrzahl von Kühlkanälen beabstandet zueinander entlang der Umfangsrichtung des Stators.
Besonders bevorzugt begrenzt die zumindest eine Kunststoffmasse den Kühlmittelverteilerraum und/oder den Kühlmittelsammlerraum zumindest teilweise. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses kann somit entfallen. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum radial außen und/oder radial innen am ersten bzw. zweiten Endabschnitt der zumindest einen Statorwicklung angeordnet. Da der Kühlmittelverteilerraum bzw. Kühlmittelsammlerraum somit direkt bzgl. der radialen Richtung benachbart zu den zu kühlenden Statorwicklungen angeordnet ist, wird auf diese Weise eine effektive thermische Ankopplung des Kühlmittelverteilerraums bzw. Kühlmittelsammlerraums an die zu kühlenden Statorwicklungen erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum eine axiale Verlängerung der Statorwicklung aus oder sind jeweils in einer axialen Verlängerung der Statorwicklung angeordnet. Besonders bevorzugt schließen der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum axial an die zumindest eine Statorwicklung an. Da der Kühlmittelverteilerraum bzw. Kühlmittelsammlerraum somit bzgl. der axialen Richtung direkt benachbart zu den zu kühlenden Statorwicklungen angeordnet ist, wird auf diese Weise eine effektive thermische Ankopplung des Kühlmittelverteilerraums bzw. Kühlmittelsammlerraums an die zu kühlenden Statorwicklungen erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schließt der Kühlmittelsammlerraum und/oder der Kühlmittelverteilerraum radial außen und/oder radial innen sowie axial endseitig an die zumindest eine Statorwicklung, vorzugsweise an deren ersten bzw. zweiten axialen Endabschnitt, an.
Besonders bevorzugt umgibt der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse des Rotors den ersten bzw. zweiten axialen Endabschnitt der zumindest einen Statorwicklung U- förmig.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Stator entlang der axialen Richtung zwischen einem ersten und einem zweiten Lagerschild angeordnet, die sich entlang der axialen Richtung gegenüberliegen. Bei dieser Ausführungsform ist ein Teil des Kühlmittelverteilerraums im ersten Lagerschild angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist ein Teil des Kühlmittelsammlerraums im zweiten Lagerschild angeordnet.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist im ersten Lagerschild eine Kühlmittelzuführung ausgebildet, welche den Kühlmittelverteilerraum fluidisch mit einem außen, vorzugsweise stirnseitig oder umfangsseitig, am ersten Lagerschild vorgesehenen Kühlmitteleinlass verbindet. Ferner ist im zweiten Lagerschild eine Kühlmittelabführung ausgebildet, welche den Kühlmittelsammlerraum fluidisch mit einem außen, vorzugsweise stirnseitig oder umfangsseitig, am zweiten Lagerschild vorgesehenen Kühlmittelauslass verbindet. Besonders bevorzugt kann die Kühlmittelzuführung thermisch mit einem im ersten Lagerschild vorgesehenen ersten Wellenlager zur drehbaren Lagerung des Stators verbunden sein. In analoger Weise kann die Kühlmittelabführung thermisch mit einem im zweiten Lagerschild vorgesehenen zweiten Wellenlager zur drehbaren Lagerung des Stators verbunden sein.
Zweckmäßig umfasst der elektrisch isolierende Kunststoff der Kunststoffmasse einen Duroplasten oder ist ein Duroplast. Alternativ kann der elektrisch isolierende Kunststoff der Kunststoffmasse einen Thermoplasten umfassen oder ein Duroplast sein. Auch eine Kombination aus einem Duroplasten und einem Thermoplasten ist in einer weiteren Variante denkbar. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform schlägt vor, den zumindest einen Kühlkanal als Rohrkörper auszubilden, der einen Rohrkörperinnenraum umgibt. Vorzugsweise ist am Rohrkörper wenigstens ein Trennelement ausgeformt, welches den Rohrkörperinnenraum in wenigstens zwei fluidisch voneinander getrennte Teilkühlkanäle unterteilt.
Zweckmäßig kann der Rohrkörper als Flachrohr mit zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist die Kunststoffmasse eine Spritzgussmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens vereinfacht und beschleunigt die Herstellung der Kunststoffmasse. Dies führt zu Kostenvorteilen bei der Herstellung der elektrischen Maschine.
Besonders bevorzugt ist die gesamte Kunststoffmasse, also insbesondere die in den Zwischenräumen zwischen den Statorzähnen angeordnete und die den Kühlmittelverteilerraum und den Kühlmittelsammlerraum begrenzende Kunststoffmasse, einstückig ausgebildet. Diese Maßnahme vereinfacht die Herstellung der elektrischen Maschine, womit Kostenvorteile einhergehen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Stator einen, vorzugsweise ringförmigen, Statorkörper, von welchem die Statorzähne abstehen. Bei dieser Weiterbildung ist die Kunststoffmasse aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff auf einer Außenumfangsseite des Statorkörpers angeordnet ist und vorzugsweise auf dieser Außenumfangsseite eine Kunststoffbeschichtung ausbildet. Somit kann der Stator elektrisch gegen die Umgebung isoliert werden. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses zur Aufnahme des Statorkörpers kann somit entfallen. Auch eine Beschichtung zumindest einer oder beider Stirnseiten des Statorkörpers mit der Kunststoffmasse ist in einer optionalen Variante denkbar. In einer weiteren Variante kann die Kunststoffmasse den Statorkörper, vorzugsweise vollständig, umhüllen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umgibt die Kunststoffmasse zumindest eine axial aus der Zwischenraum des Statorkörpers herausragenden Wicklungsabschnitt zumindest einer Statorwicklung zumindest teilweise und begrenzt dabei den Kühlmittelverteilerraum und/oder den Kühlmittelsammlerraum teilweise, so dass dieser Wicklungsabschnitt der Statorwicklung elektrisch gegenüber dem Kühlmittel isoliert ist. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss des Kühlmittels mit der Statorwicklung im Betrieb der elektrischen Maschine wird auf diese Weise verhindert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kommuniziert der Kühlmittelverteilerraum mittels einer Mehrzahl von Kühlkanälen fluidisch mit dem Kühlmittelverteilerraum.
Zweckmäßig erstreckt sich die Mehrzahl von Kühlkanälen sich, im Abstand zueinander, entlang der axialen Richtung. Diese Maßnahme stellt sicher, dass alle axialen Abschnitte der Statorwicklungen gekühlt werden.
Bevorzugt sind die Kühlkanäle entlang einer Umfangsrichtung des Stators im Abstand zueinander angeordnet. Diese Maßnahme stellt sicher, dass alle entlang der Umfangsrichtung alle Statorwicklungen gekühlt werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlmittelverteilerraum und/oder Kühlmittelsammlerraum ausschließlich in einer axialen Verlängerung des Statorkörpers benachbart zu diesem angeordnet. Bevorzugt ragt bei dieser Ausführungsform der Kühlmittelverteilerraum bzw. der Kühlmittelsammlerraum entlang einer radialen Richtung des Statorkörpers bzw. Stators nicht über diesen hinaus. Diese Ausführungsform benötigt in radialer Richtung nur sehr wenig Bauraum.
Besonders bevorzugt ist zumindest eine Statorwicklung derart ausgebildet, dass sie im Betrieb der elektrischen Maschine zumindest im Bereich innerhalb des jeweiligen Zwischenraums elektrisch vom Kühlmittel und vom Statorkörper isoliert. Besonders bevorzugt gilt dies für alle Statorwicklungen der elektrischen Maschine. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss der Statorwicklung mit dem
Statorkörper bzw. - im Betrieb der elektrischen Maschine - mit dem Kühlmittel wird auf diese Weise verhindert.
Besonders zweckmäßig ist diese elektrische Isolierung der zumindest einen Statorwicklung vom Statorkörper, vorzugsweise auch von den den Zwischenraum begrenzenden Statorzähnen, vollständig durch die Kunststoffmasse und/oder durch den - bereits oben erwähnte - zusätzliche elektrische Isolation gebildet. Die Bereitstellung eine weiteren elektrischen Isolation kann auf diese Weise entfallen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die zusätzliche elektrische Isolation innerhalb des Zwischenraums über die gesamte entlang der axialen Richtung gemessene Länge des Zwischenraums, so dass sie die Statorwicklung vom Statorkörper und von den den Zwischenraum begrenzenden Statorzähnen isoliert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umschließt die zusätzliche elektrische Isolation die Statorwicklung innerhalb des Zwischenraums über mindestens die gesamte Länge des Zwischenraums entlang dessen Umfang.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest eine Statorwicklung auch elektrisch von dem als Rohrkörper ausgebildeten Kühlkanal iso- liert. Dabei ist die elektrische Isolierung durch die Kunststoffmasse und/oder die zusätzliche Isolation gebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umgibt die Kunststoffmasse zumindest eine axial aus dem Zwischenraum hervorstehende Statorwicklung zumindest teilweise und begrenzt dabei den Kühlmittelverteilerraum und/oder den Kühlmittelsammlerraum zumindest teilweise, so dass die Statorwicklung im Betrieb der Maschine gegenüber dem Kühlmittel elektrisch isoliert ist.
Besonders bevorzugt können die Statorwicklungen Teil einer verteilten Wicklung sein.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einer vorangehend vorgestellten elektrischen Maschine. Die oben erläuterten Vorteile der elektrischen Maschine übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Fahrzeug.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse des Rotor,
Fig. 2 den Stator der elektrischen Maschine gemäß Figur 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse des Rotors,
Fig. 3 eine Detail des Stators der Figur 2 im Bereich eines Zwischenraum zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen,
Fig. 4 eine erste Variante der elektrischen Maschine der Figur 1 , bei welcher das durch die Kühlkanäle strömende Kühlmittel auch zur Kühlung der Wellenlager des Rotors verwendet wird,
Fig. 5 eine zweite Variante der elektrischen Maschine gemäß Figur 1 , welche besonders wenig Bauraum beansprucht,
Fig. 6 eine dritte Variante der Maschine gemäß Figur 1 , welche eine besonders effektive Kühlung der Statorwicklungen ermöglicht.
Figur 1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 in einer Schnittdarstellung. Die elektrische Maschine 1 ist so dimensioniert, dass sie in einem Fahrzeug, vorzugsweise in einem Straßenfahrzeug, eingesetzt werden kann.
Die elektrische Maschine 1 umfasst einen in der Figur 1 nur grobschematisch dargestellten Rotor 3 und einen Stator 2. Zur Verdeutlichung ist der Stator 2 in Figur 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D entlang der Schnittli- nie II - II der Figur 1 in separater Darstellung dargestellt. Entsprechend Figur 1 besitzt der Rotor 3 eine Rotorwelle 31 und kann mehrere, in der Figur 1 nicht näher dargestellte Magnete aufweisen, deren magnetischer Polarisation entlang der Umfangsrichtung U abwechselt. Der Rotor 3 ist um eine Rotationsachse D drehbar, deren Lage durch die Mittellängsachse M der Rotorwelle 31 festgelegt ist. Durch die Rotationsachse D wird eine axiale Richtung A definiert, welche sich parallel zur Rotationsachse D erstreckt. Eine radiale Richtung R steht senkrecht zur axialen Richtung A. Eine Umfangsrichtung U rotiert um die Rotationsachse D.
Wie Figur 1 erkennen lässt, ist der Rotor 3 im Stator 2 angeordnet. Somit handelt es sich bei der hier gezeigten elektrischen Maschine 1 um einen sogenannten Innenläufer. Denkbar ist aber auch eine Realisierung als sogenannter Außenläufer, bei welcher der Rotor 3 außerhalb des Stators 2 angeordnet ist. Die Rotorwelle 31 ist in einem ersten Wellenlager 32a und, dazu axial beabstandet, in einem zweiten Wellenlager 32b um die Rotationsachse D drehbar am Stator 2 gelagert.
Der Stator 2 umfasst außerdem in bekannter Weise mehrere, zum Erzeugen eines magnetischen Feld elektrisch bestrombare Statorwicklungen 6. Durch magnetische Wechselwirkung des von den Magneten des Rotor 3 erzeugten magnetischen Feldes mit dem von den Statorwicklungen 6 erzeugten magnetischen Feld wird der Rotor 3 in Rotation versetzt.
Dem Querschnitt der Figur 2 entnimmt man, dass der Stator 2 einen ringförmigen Statorkörper 7, beispielsweise aus Eisen, aufweisen kann. Insbesondere kann der Statorkörper 7 aus mehreren, entlang der axialen Richtung A aufeinandergesta- pelten und miteinander verklebten Statorkörperplatten (nicht gezeigt) gebildet sein. An dem Statorkörper 7 sind radial innen mehrere Statorzähne 8 angeformt, die sich entlang der axialen Richtung A erstrecken, radial nach innen vom Statorkörper 7 weg abstehen und entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinan- der angeordnet sind. Jeder Statorzahn 8 trägt eine Statorwicklung 6. Die einzelnen Statorwicklungen 6 bilden zusammen eine Wicklungsanordnung. Je nach Anzahl der von den Statorwicklungen 6 zu bildenden magnetischen Pole können die einzelnen Statorwicklungen 6 der gesamten Wicklungsanordnung entsprechend elektrisch miteinander verdrahtet sein.
Im Betrieb der Maschine 1 erzeugen die elektrisch bestromten Statorwicklungen 6 Abwärme, die aus der Maschine 1 abgeführt werden muss, um eine Überhitzung und eine damit einhergehende Beschädigung oder gar Zerstörung der Maschine 1 verhindern. Daher werden die Statorwicklungen 6 mithilfe eines Kühlmittels K gekühlt, welches durch den Stator 2 geführt wird und die von den Statorwicklungen 6 erzeugte Abwärme durch Wärmeübertragung aufnimmt.
Um das Kühlmittel K durch den Stator 2 zu führen, umfasst die Maschine 1 einen Kühlmittelverteilerraum 4, in welchen über einen Kühlmitteleinlass 33 ein Kühlmittel K eingeleitet werden kann. Entlang der axialen Richtung A im Abstand zum Kühlmittelverteilerraum 4 ist ein Kühlmittelsammlerraum 5 angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 kommuniziert mittels mehrerer Kühlkanäle 10, von welchen in der Darstellung der Figur 1 nur ein einzige erkennbar ist, fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum 5. In einem in den Figuren nicht gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A können der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils eine ringförmige Geometrie besitzen. Entlang der Umfangsrichtung U sind mehrere Kühlkanäle 10 beabstandet zueinander angeordnet, die sich jeweils entlang der axialen Richtung A vom ringförmigen Kühlmittelverteilerraum 4 zum ringförmigen Kühlmittelsammlerraum 5 erstrecken. Somit kann das über den Kühlmitteleinlass 33 in den Kühlmittelverteilerraum 4 eingebrachte Kühlmittel K auf die einzelnen Kühlkanäle 10 verteilt werden. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 10 und der Aufnahme von Wärme von den Statorwicklungen wird das Kühlmittel K im Kühlmittelsammlerraum 5 gesammelt und über einen am Stator 2 vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 wieder aus der Maschine 1 ausgeleitet.
Wie die Darstellung der Figuren 1 und 2 erkennen lassen, sind die Statorwicklungen 6 in Zwischenräumen 9 angeordnet, die zwischen jeweils zwei in Umfangs- richtung U benachbarten Statorzähnen 8 ausgebildet sind. Besagte Zwischenräume 9 sind dem einschlägigen Fachmann auch als sogenannte "Stator-Nuten" oder "Stator-Schlitze" bekannt, die sich ebenso wie die Statorzähne 8 entlang der axialen Richtung A erstrecken.
Nun sei das Augenmerk auf die Darstellung der Figur 3 gerichtet, welche einen zwischen zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Statorzähnen 8 - im Folgenden auch als Statorzähne 8a, 8b bezeichnet - ausgebildeten Zwischenraum 9 in einer Detaildarstellung zeigt. Um die Wärmeübertragung der von den Statorwicklungen 6 erzeugten Abwärme auf das durch die Kühlkanäle 10 strömende Kühlmittel K zu verbessern, ist entsprechend Figur 3 in den Zwischenräumen 9 jeweils eine Kunststoffmasse 1 1 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff vorgesehen. Besonders bevorzugt ist die Kunststoffmasse 1 1 eine Spritzgussmasse aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens vereinfacht und beschleunigt die Herstellung der Kunststoffmasse. Beim Beispiel der Figur 3 besteht die Kunststoffmasse 1 1 aus einem einzigen Kunststoffmaterial. In die Kunststoffmasse 1 1 , die beispielsweise aus einem Duroplasten oder einem Thermopolasten bestehen kann, sind der in den Zwischenraum 9 angeordnete Kühlkanal 10 und die in demselben Zwischenraum 9 angeordnete Statorwicklung 6 eingebettet. Es versteht sich, die dass die gemäß Figur 3 in dem Zwischenraum 9 angeordnete Statorwicklung 6 jeweils teilweise einer ersten Statorwicklung 6a zugehörig ist, die von einem ersten Statorzahn 8a getragen ist, und teilweise einer zweiten Statorwicklung 6b zugeordnet ist, die von einem dem ersten Statorzahn 8a in Umfangsrichtung U benachbarten, zweiten Statorzahn 8b getragen ist. Zur Verdeutlichung dieses Szenarios ist in Figur 3 eine virtuelle Trennlinie 12 eingezeichnet. Die in Figur 3 links der Trennlinie 12 gezeigten Wicklungsdrähte 13a gehören zu der von dem Statorzahn 8a getragenen Statorwicklung 6a. Die rechts der Trennlinie 2 gezeigten Wicklungsdrähte 13b gehören zu der von dem Statorzahn 8b getragenen Statorwicklung 6b.
Wie die Detaildarstellung der Figur 3 weiter erkennen lässt, ist im jeweiligen Zwischenraum 9 zwischen der Kunststoffmasse 1 1 und dem Statorkörper 7 bzw. den beiden den Zwischenraum 9 in Umfangsrichtung U begrenzenden Statorzähnen 8a, 8b eine zusätzliche elektrische Isolation 15 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Als besonders kostengünstig erweist sich eine elektrische Isolation 15 aus Papier. Auf diese Weise kann im Falle, dass die Kunststoffmasse 1 1 aufgrund von thermischer Überlastung aufspringt oder auf andere Weise beschädigt wird, ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss der Statorwicklung 6 mit dem Material des Statorkörpers 7 bzw. der Statorzähne 8 bzw. 8a, 8b - typischerweise Eisen oder ein anderes geeignetes, elektrisch leitendes Material - vermieden werden.
Wie die Detaildarstellung der Figur 3 belegt, können die Kühlkanäle 10 jeweils durch einen Rohrkörper 16, beispielsweise aus Aluminium, gebildet sein, der einen Rohrkörperinnenraum 22 umgibt. Optional können, wie in der Detaildarstellung der Figur 3 gezeigt, am Rohrkörper 16 ein oder mehrere Trennelemente 18 ausgeformt sein, welche den Kühlkanal 10 in fluidisch voneinander getrennte Teilkühlkanäle 19 unterteilt. Auf diese Weise kann das Strömungsverhalten des Kühlmittels K im Kühlkanal 10 verbessert werden, womit ein verbesserter Wärmeübergang auf das Kühlmittel K einhergeht. Außerdem wird der Rohrkörper 16 auf diese Weise zusätzlich mechanisch ausgesteift. In Figur 3 sind exemplarisch drei solche Trennelemente 18 dargestellt, so dass sich vier Teilkühlkanäle 19 ergeben. Selbstredend ist in Varianten des Beispiels eine andere Anzahl an Trenn- elementen 18 möglich. Der den Kühlkanal 10 bildenden Rohrkörper 16 ist als Flachrohr 17 ausgebildet, welches in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D des Rotors 3 (vgl. Figur 3) zwei Breitseiten 20 und zwei Schmalseiten 21 besitzt. In dem in Figur 3 gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A erstrecken sich die beiden Breitseiten 20 des Flachrohrs 17 senkrecht zur radialen Richtung R. Eine Länge der beiden Breitseiten 20 beträgt wenigstens das Vierfache, vorzugsweise wenigstens das Zehnfache, einer Länge der beiden Schmalseiten 21 .
Im Beispiel der Figuren 1 bis 3 sind die Kühlkanäle 10 radial außerhalb der Statorwicklungen 6 im jeweiligen Zwischenraum 9 angeordnet. Der radiale Abstand der Kühlkanäle 10 zur Rotationsachse D des Rotors 3 ist also größer als jener der Statorwicklungen 6 zur Rotationsachse D. Denkbar ist aber auch eine Anordnung der Kühlkanäle 10 radial innen.
Zur Herstellung einer elektrischen Maschine 1 gemäß den Figuren 1 bis 3 werden zunächst die durch Rohrkörper 16 bzw. Flachrohre 17 gebildeten Kühlkanäle 10 in die Zwischenräume 9 eingebracht. Anschließend wird die elektrische Isolation 15, beispielsweise aus Papier, in die Zwischenräume 9 eingesetzt. Danach werden die Statorwicklungen 6 auf den Statorzähnen 8 angeordnet und somit auch in die Zwischenräume 9 eingebracht und anschließend mit dem die Kunststoffmas- se 1 1 ergebenden Kunststoff, beispielsweise einem Duroplasten, umspritzt. Im Zuge der Herstellung der Kunststoffmasse 1 1 kann auch der Statorkörper 7 mit dem die Kunststoffmasse 1 1 ergebenden Kunststoff, also insbesondere mit dem Duroplasten, umspritzt werden. Ebenso werden im Zuge des Spritzvorgangs der Kühlmittelverteiler 4 und der Kühlmittelsammler 5 hergestellt.
Im Folgenden wird wieder auf die Figur 1 Bezug genommen. Wie die Figur 1 anschaulich belegt, kann die einstückig ausgebildete Kunststoffmasse 1 1 axial beidseitig aus den Zwischenräumen 9 herausragen. Dies erlaubt es, auch den Kühl- mittelverteilerraum 4 sowie, alternativ oder zusätzlich, den Kühlmittelsammler- raum 5 zur thermischen Ankopplung an axiale Endabschnitte 14a, 14b der jeweiligen Statorwicklung 6 in die Kunststoffmasse 1 einzubetten, die axial außerhalb des jeweiligen Zwischenraum 9 angeordnet sind. Mit anderen Worten, bei dieser Ausführungsvariante begrenzt die eine Kunststoffmasse 1 1 den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils zumindest teilweise.
Auf diese Weise kann auch im Bereich der üblicherweise thermisch besonders belasteten axialen Endabschnitten 14 a, 14b der betreffenden Statorwicklung 6 ein effektiver Wärmeübergang an das im Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. Kühlmittelsammlerraum 5 vorhandene Kühlmittel K hergestellt werden. Diese Maßnahme erlaubt eine besonders effektive Kühlung der beiden axialen Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklung 6.
Ferner ist gemäß Figur 1 der Stator 2 mit dem Statorkörper 7 und den Statorzähnen 8 axial zwischen einem ersten und einem zweiten Lagerschild 25a, 25b angeordnet. Wie die Figur 1 erkennen lässt, ist ein Teil des Kühlmittelverteilerraums 4 in dem ersten Lagerschild 25a und ein Teil des Kühlmittelsammlerraums 5 in einem zweiten Lagerschild 25b angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 wird also sowohl vom ersten Lagerschild 25a als auch von der Kunststoffmasse 1 1 begrenzt. Entsprechend wird der Kühlmittelsammlerraum 5 sowohl vom zweiten Lagerschild 25b als auch von der Kunststoffmasse 1 1 begrenzt.
Der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 sind jeweils teilweise durch einen in der Kunststoffmasse 1 1 ausgebildeten Hohlraum 41 a, 41 b realisiert. Der erste Hohlraum 41 a wird durch einen im ersten Lagerschild 25a ausgebildeten Hohlraum 42a zum Kühlmittelverteilerraum 4 ergänzt. Entsprechend wird der zweite Hohlraum 41 b durch einen im zweiten Lagerschild 25b ausgebildeten Hohlraum 42b zum Kühlmittelsammlerraum 5 ergänzt. Im ersten Lagerschild 25a kann ferner eine Kühlmittelzuführung 35 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelverteilerraum 4 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in Figur 1 dargestellt umfangsseitig, am ersten Lagerschild 25a vorgesehenen Kühlmitteleinlass 33 verbindet. Im zweiten Lagerschild 25b kann entsprechend eine Kühlmittelabführung 36 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelsammlerraum 4 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in Figur 1 dargestellt umfangsseitig, am Lagerschild 25b vorgesehenen Kühlmitteleinlass 34 verbindet. Dies ermöglicht eine Anordnung des Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 jeweils radial außen am ersten bzw. zweiten Endabschnitt 14a, 14b der betreffenden Statorwicklung 6 und auch in der Verlängerung dieser Endabschnitte 14a, 14b entlang der axialen Richtung A. Die im Betrieb der Maschine 1 thermisch besonders belasteten Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6 können auf diese Weise besonders effektiv gekühlt werden.
Gemäß Figur 3 umfasst der Zwischenraum 9 einen ersten Teilraum 9c, in welchem die Statorwicklung 6 angeordnet ist, und einen zweiten Teilraum 9d, in welchem der Kühlkanal 10 angeordnet ist und welcher den ersten Teilraum 9c zum Zwischenraum 9 ergänzt. Wie die Figuren 3 und 4 erkennen lassen, kann
zwischen den beiden Teilräumen eine Fixiereinrichtung 27 angeordnet sein, mittels welcher der Kühlkanal 10 im zweiten Teilraum 9d fixiert wird. Besagte Fixiereinrichtung 27 umfasst zwei Vorsprünge 28a, 28b, die an den beiden in der Umfangsrichtung U benachbarten und den Zwischenraum 9 begrenzenden Statorzähnen 8a, 8b ausgebildet sind. Die beiden Vorsprünge 28a, 28b sind einander in der Umfangsrichtung U zugewandt und ragen zur Fixierung des Kühlkanals in den Zwischenraum hinein. Die Vorsprünge 28a, 28b wirken für den als Rohrkörper 16 bzw. Flachrohr 17 ausgebildeten Kühlkanal 10 als radialer Anschlag, der eine unerwünschte Bewegung des Kühlkanals 10, insbesondere beim Herstellen der Spritzgussmasse(n) 1 1 bzw. 1 1 a, 1 1 b mittels Spritzgießens radial nach innen verhindert. Gemäß Figur 1 kann die Kunststoffmasse 1 1 aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff auch auf einer Außenumfangsseite 30 des Statorkörpers 7 angeordnet sein und somit auf der Außenumfangsseite 30 eine Kunststoffbeschichtung 1 1 .1 ausbilden. Somit kann der typischerweise aus elektrisch leitenden Statorplatten gebildete Statorkörper 7 des Stators 2 elektrisch gegen die Umgebung isoliert werden. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses zur Aufnahme des Statorkörpers 7 kann somit entfallen.
Die Figur 4 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 1 in dem Längsschnitt entlang der Rotationsachse D des Rotors 3. Um auch die Rotorwelle 31 sowie die beiden Wellenlager 32a, 32b im Betrieb der Maschine 1 zu kühlen, kann die Kühlmittelzuführung 35 thermisch an das im ersten Lagerschild 25a angeordnete, erste Wellenlager 32a gekoppelt sein. Ebenso kann die Kühlmittelabführung 36 thermisch an das im zweiten Lagerschild 25b angeordnete, zweite Wellenlager 32b gekoppelt sein. Eine separate Kühleinrichtung zum Kühlen der Wellenlager 32a, 32b kann auf diese Weise entfallen, woraus sich Kostenvorteile ergeben. Im Beispiel der Figur 4 sind der Kühlmitteleinlass 33 und der Kühlmittelauslass 34 an der äußeren Stirnseite 26a bzw. 26b des ersten bzw. zweiten Lagerschilds 25a, 25b vorgesehen. Bei der Variante gemäß den Figuren 4 und 1 sind die Statorwicklungen 6 bzgl. der radialen Richtung R radial innerhalb der Kühlkanäle 10 angeordnet. Die Statorwicklungen 6 sind mit einem elektrischen Anschluss 50 durch eine im zweiten Lagerschild 25b vorgesehene Durchführung 39 aus dem Stator 2 heraus nach außen geführt, so dass sie von außen elektrisch bestromt werden können. Die Durchführung 39 ist bzgl. der radialen Richtung R zwischen dem Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. dem Kühlmittelsammlerraum 5 und der Drehachse D angeordnet. Im Beispiel der Figur 5, welche eine gegenüber der Figur 4 vereinfachte Ausführungsform in einer Teildarstellung zeigt, sind der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammlerraum 5 ausschließlich in der axialen Verlängerung der Kühlkanäle 10 angeordnet. Diese Variante benötigt für den Kühlmittelverteilerraum 4 und für den Kühlmittelsammlerraum 5 besonders wenig Bauraum. Bei der Variante gemäß Figur 5 sind die Statorwicklungen 6 bzgl. der radialen Richtung R radial innerhalb der Kühlkanäle 10 angeordnet. Denkbar ist aber alternativ oder zusätzlich auch eine Anordnung radial außerhalb der Kühlkanäle 10. Die Statorwicklungen 6 sind mittels eines elektrischen Anschlusses 50 durch eine im zweiten Lagerschild 25b vorgesehene Durchführung 39 aus dem Stator 2 heraus nach außen geführt, so dass sie von außen elektrisch bestromt werden können. Die Durchführung 39 ist bzgl. der radialen Richtung R radial außerhalb des Kühlmittelverteilerraums 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 im zweiten Lagerschild 25b angeordnet.
Im Beispiel der Figur 6 ist eine Weiterbildung der Figur 4 gezeigt. Bei dieser Weiterbildung umgibt der Kühlmittelverteilerraum 4 in dem in Figur 6 dargestellten Längsschnitt entlang der Rotationsachse D den ersten axialen Endabschnitt 14a der jeweiligen Statorwicklung 6 U-förmig oder C-förmig, also entlang dessen unmittelbarer axialer Verlängerung, sowie radial innen und radial außen. Entsprechend umgibt der Kühlmittelsammlerraum 5 in dem Längsschnitt entlang der Rotationsachse D den zweiten axialen Endabschnitt 14b der jeweiligen Statorwicklung 6 U-förmig oder C-förmig, also entlang dessen axialer Verlängerung sowie radial innen und radial außen. Bei dieser Variante sind Kühlkanäle 10 sowohl radial innerhalb also auch radial außerhalb der Statorwicklung 6 vorgesehen. Somit sind die jeweiligen Statorwicklungen 6 einschließlich ihrer axialen Endabschnitte 14a, 14b über die Kühlkanäle 10 sowie über den Kühlmittelverteilerraum 4 und den Kühlmittelsammlerraum 5 in thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel K. Dies erlaubt eine effektive Kühlung der Statorwicklungen 6 einschließlich ihrer axialen Endabschnitte 14a, 14b, die im Betrieb der Maschine 1 thermisch besonderen Belastungen ausgesetzt ist.
Besonders bevorzugt ist die gesamte Kunststoffmasse 1 1 , also insbesondere die in den Zwischenräumen 9 zwischen den Statorzähnen 9 angeordnete und die den Kühlmittelverteilerraum 4 und den Kühlmittelsammlerraum 5 begrenzende Kunst- stoffmasse 1 1 , einstückig ausgebildet.
Die Kunststoffmasse kann auch den axial aus dem Zwischenraum 9 des Statorkörpers herausragenden Wicklungsabschnitt der Statorwicklung 6 umgeben und dabei den Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. den Kühlmittelsammlerraum 5 teilweise begrenzen, so dass die betreffende Statorwicklung 6 bzw. der betreffende Wicklungsabschnitt der Statorwicklung 6 elektrisch gegenüber dem Kühlmittel isoliert ist, wenn dieses im Betrieb der Maschine 1 durch den betreffenden Kühlkanal 10 strömt. .
Zweckmäßig sind der Kühlmittelverteilerraum 4 sowie der Kühlmittelsammlerraum 5 in einer axialen Verlängerung des Statorkörpers 7 benachbart zu diesem angeordnet. Bevorzugt ragt der Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. der Kühlmittelsammlerraum 5 entlang der radialen Richtung R des Statorkörpers 7 bzw. Stators 2 nicht über diesen hinaus.
Die Statorwicklung 6 ist jeweils derart ausgebildet, dass sie im Betrieb der elektrischen Maschine 1 zumindest im Bereich innerhalb des jeweiligen Zwischenraums 9elektrisch vom Kühlmittel K und vom Statorkörper 7 des Stators 2 isoliert ist. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss der Statorwicklung 6 mit dem Statorkörper 7 - im Betrieb der elektrischen Maschine 1 - mit dem Kühlmittel K wird auf diese Weise verhindert. Zweckmäßig ist eine solche elektrische Isolierung der Statorwicklung 6 gegenüber dem Statorkörper 7, vorzugsweise auch gegenüber den den Zwischenraum 9 begrenzenden Statorzähnen 8, vollständig durch die Kunststoffmasse und/oder durch die - bereits oben erwähnten - zusätzliche elektrische Isolation 15 gebildet.
Zweckmäßig erstreckt sich die zusätzliche elektrische Isolation 15 innerhalb des Zwischenraums 9 über die gesamte entlang der axialen Richtung A gemessene Länge des Zwischenraums 9, so dass sie die Statorwicklung 6 vom Statorkörper 7 und bzw. von den Statorzähnen 8 isoliert.
Zweckmäßig umschließt die zusätzliche elektrische Isolation 15 die Statorwicklung 6 innerhalb des Zwischenraums 9 über mindestens die gesamte Länge des Zwischenraums 9 entlang dessen umfangsseitiger Begrenzung.
Zweckmäßig ist die Statorwicklung 6 auch elektrisch von dem als Rohrkörper 16 ausgebildeten Kühlkanal isoliert. Dabei ist die elektrische Isolierung durch die Kunststoffmasse sowie, alternativ oder zusätzlich, den zusätzliche elektrische Isolation 15 gebildet.
Die Kunststoffmasse 1 1 kann eine axial aus dem Zwischenraum 9 hervorstehende Statorwicklung 6 zumindest teilweise umgeben und dabei den Kühlmittelverteilerraum 4 und/oder den Kühlmittelsammlerraum 5 zumindest teilweise begrenzt, so dass die Statorwicklung 6 im Betrieb der Maschine 1 gegenüber dem Kühlmittel K elektrisch isoliert ist.

Claims

Ansprüche
1 . Elektrische Maschine (1 ), insbesondere für ein Fahrzeug,
mit einem Rotor (3), der um eine Rotationsachse (D) drehbar ist, durch welche eine axiale Richtung (A) der elektrischen Maschine (1 ) definiert ist, und mit einem Stator (2), der Statorwicklungen (6) aufweist,
mit einem Kühlmittelverteilerraum (3) und einem axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum (4), wobei der Kühlmittelverteilerraum (4) mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel (K) durchströmbaren Kühlkanals (10) fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum (5) kommuniziert, wobei zumindest eine Statorwicklung (6) zur thermischen Kopplung an das Kühlmittel (K) in eine Kunststoffmasse (1 1 ) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet ist,
wobei der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsammlerraum (5) zur thermischen Kopplung an eine Statorwicklung (6) wenigstens teilweise in der Kunststoffmasse (1 1 ) angeordnet ist.
2. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auch der zumindest eine Kühlkanal (10) in die zumindest eine Kunststoffmas- se (1 1 ) aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsannnnlerraunn (5) durch einen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in der Kunststoffmasse (1 1 ) vorgesehenen Hohlraum (41 a, 41 b) ausgebildet ist.
4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator (2) sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung (U) des Rotors (3) beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne (8) besitzt, welche die Statorwicklungen (6) tragen, wobei die Kunststoffmasse (1 1 ) mit dem zumindest einen Kühlkanal (10) und mit der zumindest einen Statorwicklung (6) in einem Zwischenraum (9) angeordnet ist, der zwischen zwei in der Umfangsrichtung (U) benachbarten Statorzähnen (8) ausgebildet ist.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kunststoffmasse (1 1 ) axial, vorzugsweise beidseitig, aus dem Zwischenraum (9) herausragt.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsammlerraum (5) in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse (D) des Rotors (3) eine ringförmige geometrische Formgebung, vorzugsweise die Geometrie eines offenen oder geschlossenen Rings, besitzt.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse (1 1 ) den Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder den Kühlmittelsammlerraum (5) zumindest teilweise begrenzt.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsammlerraum (5) radial außen und/oder radial innen am ersten bzw. zweiten Endabschnitt (14a, 14b) der zumindest einen Statorwicklung (6) angeordnet ist.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsammlerraum (5) jeweils eine axiale Verlängerung der Statorwicklung (6) ausbilden oder jeweils in einer axialen Verlängerung der Statorwicklung (6) angeordnet sind.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsammlerraum (5) axial an die zumindest eine Statorwicklung (6), vorzugsweise an deren ersten bzw. zweiten axialen Endabschnitt (14a, 14b), anschließen.
1 1 . Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelverteilerraum (5) radial außen und/oder radial innen sowie axial endseitig an die zumindest eine Statorwicklung (6), vorzugsweise an deren ersten bzw. zweiten axialen Endabschnitt (14a, 14b), anschließen.
12. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsammlerraum (5) in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse (D) den ersten bzw. zweiten axialen Endabschnitt (14a, 14b) der zumindest einen Statorwicklung (6) U- förmig oder C-förmig umgibt.
13. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator (2) entlang der axialen Richtung (A) zwischen einem ersten und einem zweiten Lagerschild (25a, 25b) angeordnet ist, die sich axial gegenüberliegen,
wobei ein Teil des Kühlmittelverteilerraums (4) im ersten Lagerschild (25a) angeordnet ist und/oder ein Teil des Kühlmittelsammlerraums (5) im zweiten Lagerschild (25b) angeordnet ist.
14. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im ersten Lagerschild (25a) eine Kühlmittelzuführung (35) ausgebildet ist, welche den Kühlmittelverteilerraum (4) fluidisch mit einem außen, vorzugsweise stirnseitig oder umfangsseitig, am ersten Lagerschild (25a) vorgesehenen Kühlmitteleinlass (33) verbindet,
wobei vorzugsweise die Kühlmittelzuführung (35) thermisch mit einem im ersten Lagerschild (25a) vorgesehenen ersten Wellenlager (32a) zur drehbaren Lagerung des Stators (2) verbunden ist, und/oder dass
im zweiten Lagerschild (25b) eine Kühlmittelabführung (36) ausgebildet ist, welche den Kühlmittelsammlerraum (5) fluidisch mit einem außen, vorzugsweise stirnseitig oder umfangsseitig, am zweiten Lagerschild (25b) vorgesehenen Kühlmittelauslass (34) verbindet, wobei vorzugsweise die Kühlmittelabführung (36) thermisch mit einem im zweiten Lagerschild (25b) vorgesehenen zweiten Wellenlager (33a) zur drehbaren Lagerung des Stators (2) verbunden ist.
15. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrisch isolierende Kunststoff einen Duroplasten umfasst oder ein Duroplast ist, und/oder dass
der elektrisch isolierende Kunststoff einen Thermoplasten umfasst oder ein Thermoplast ist.
16. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Kühlkanal (10) als Rohrkörper (16) ausgebildet ist, der einen Rohrkörperinnenraum (22) umgibt,
wobei vorzugsweise am Rohrkörper (16) wenigstens ein Trennelement (18) ausgeformt ist, welches den Rohrkörperinnenraum (22) in wenigstens zwei fluidisch voneinander getrennte Teilkühlkanäle (19) unterteilt.
17. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Rohrkörper (16) als Flachrohr ( 7) mit zwei Breitseiten (20) und zwei Schmalseiten (21 ) ausgebildet ist.
18. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kunststoffmasse (1 1 ) eine Spritzgussmasse aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff ist.
19. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kunststoffmasse einstückig ausgebildet ist.
20. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator (2) einen, vorzugsweise ringförmigen, Statorkörper (7) umfasst, die Kunststoffmasse (1 1 ) aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff auf einer Außenumfangsseite (30) des Statorkörpers (7) angeordnet ist und vorzugsweise auf dieser Außenumfangsseite (30) eine Außenbeschichtung (1 1 .1 ) ausbildet.
21 . Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kunststoffmasse (1 1 ) zumindest einen axial aus dem Zwischenraum (9) herausragenden Wicklungsabschnitt der Statorwicklung (6) zumindest teilweise umgibt und dabei den Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder den Kühlmittelsammlerraum (5) teilweise begrenzt, so dass dieser Wicklungsabschnitt im Betrieb der Maschine (1 ) elektrisch gegenüber dem Kühlmittel (K) isoliert ist.
22. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) mittels einer Mehrzahl von Kühlkanälen (10) fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum (5) kommuniziert.
23. Elektrische Maschine nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Kühlkanälen (10) sich zueinander beabstandet entlang der axialen Richtung (A) erstrecken.
24. Elektrische Maschine nach Anspruch 22 oder 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (10) entlang einer Umfangsrichtung (U) des Stators (2) im Abstand zueinander angeordnet sind.
25. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder Kühlmittelsammlerraum (5) ausschließlich in einer axialen Verlängerung des Statorkörpers (7) oder Stators (2) benachbart zu diesem angeordnet ist und sich vorzugsweise entlang einer radialen Richtung (R) des Statorkörpers (7) bzw. Stators (2) nicht über diesen hinaus ragt.
26. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Statorwicklung (6) derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb der elektrischen Maschine (1 ) zumindest im Bereich innerhalb des jeweiligen Zwischenraums (9) elektrisch vom Kühlmittel (K) und vom Statorkörper (7) isoliert ist.
27. Elektrische Maschine nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet, dass
diese elektrische Isolierung der zumindest einen Statorwicklung (6) vom Statorkörper (7), vorzugsweise auch von den den Zwischenraum (9) begrenzenden Statorzähnen (8), bevorzugt vollständig durch die Kunststoffmasse (1 1 ) und/oder durch die zusätzliche elektrische Isolation gebildet ist.
28. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kunststoffmasse (1 1 ) zumindest eine axial aus dem Zwischenraum (9) hervorstehende Statorwicklung (6) zumindest teilweise umgibt und dabei den Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder den Kühlmittelsammlerraum (5) teilweise begrenzt, so dass die Statorwicklung (6) im Betrieb der Maschine (1 ) gegenüber dem Kühlmittel elektrisch isoliert ist.
29. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Statorwicklungen (6) Teil einer verteilten Wicklung sind.
30. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer elektrischen Maschine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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