WO2019110276A1 - Elektrische maschine, insbesondere für ein fahrzeug - Google Patents

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stator
electrical machine
machine according
coolant
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John Cunningham
Philip GRABHERR
Ian Webb
Tim Male
Stojan Markic
Graham SENTANCE
Peter Sever
Josef Sonntag
Jon Witcombe
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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.
  • an electric machine may generally be a Elekt romotor 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 a rear wall bounding the interior axially and, on the other hand, an axially front side wall bounding the interior.
  • 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 generates heat that must be dissipated to prevent overheating and the associated damage or even destruction of the stator.
  • Flierzu it is known from conventional electrical machines to equip them with a cooling device for cooling the stator - in particular said Statorwicklun- gene -.
  • a cooling device comprises one or more cooling channels, through which a coolant flows and which are arranged in the vicinity of the stator windings in the stator. Heat can be removed from the stator by transferring heat from the stator windings to the coolant. It proves to be disadvantageous that an efficient heat transfer from the stator to the coolant flowing through the respective cooling channel is associated with considerable design complexity. However, this has a disadvantageous effect on the manufacturing costs of the electrical machine.
  • 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 electrical machine is to be created, which is characterized by improved cooling of the stator windings of the stator with simultaneously low production costs.
  • the basic idea of the invention is thus to embed the stator windings of an electrical machine for cooling the stator windings in an electrically insulating plastic which is formed by two different plastic masses of different thermal conductivity.
  • the plastic as a heat transfer medium for transferring heat from the stator windings on the one hand flowing through a cooling channel coolant on the one hand and as an electrical insulator for the stator windings on the other hand act.
  • a particularly good heat transfer between the stator windings and the coolant guided through the cooling channel is produced.
  • an electrically insulating plastic is also ensured that the stator windings to be cooled are not electrically shorted by the plastic undesirably.
  • the use of two plastic masses of plastic materials of different thermal conductivity makes it possible to resort to expensive plastic material with high thermal conductivity in areas in which a particularly high thermal conductivity is required for heat dissipation. In areas in which high thermal conductivity is not required, it is possible to resort to a plastic, which is typically cheaper to obtain. As a result, this procedure leads to considerable cost advantages in the production of the electrical machine.
  • the production of the electrically insulating plastic can preferably take place by means of injection molding, in which the stator windings to be cooled as well as optionally also the cooling channel for the formation of the two plastic masses are encapsulated with the plastic.
  • the embedding of the stator winding in the plastic masses is therefore very simple, although two different plastic materials are used. This also results in cost advantages in the production of the electric machine according to the invention.
  • Another advantage of the solution proposed here is that the second plastic mass can act as additional electrical insulation between the stator windings and the stator body. In the event that - due to production - not all stator windings are completely embedded in the first plastic mass In any case, the second plastic compound prevents any electrical short circuit with the electrically conductive material of the stator body.
  • An electric machine in particular for a vehicle, comprises a rotor, which is rotatable about an axis of rotation, by which in turn an axial direction of the electric machine is defined.
  • the machine further includes a stator having stator windings.
  • the stator has stator teeth which extend along the axial direction and are arranged at a spacing from each other along a circumferential direction and which carry the stator windings.
  • the machine further comprises a coolant distributor chamber and an axially spaced-apart coolant collector chamber.
  • the coolant distributor chamber communicates fluidically with the coolant collector chamber for cooling the stator windings by means of at least one cooling channel through which a coolant can flow.
  • At least one stator winding is embedded in an electrically insulating plastic for thermal coupling.
  • the electrically insulating plastic with the at least one stator winding is arranged in at least one intermediate space, which is formed between two stator teeth adjacent in the circumferential direction.
  • the electrically insulating plastic is formed by a first plastic mass of a first plastic material and by a second plastic mass of a second plastic material whose thermal conductivity is greater than the thermal conductivity of the first plastic material.
  • the at least one stator winding has two axial end sections, on which an additional electrically insulating insulation is arranged.
  • the electrically conductive stator windings are usually already surrounded by electrical insulation in order to prevent electrical shorts from being generated when individual winding sections come into contact with one another.
  • it can not be ensured that after fabrication and assembly of the stator windings, all these stator windings are continuously connected with such Isolation are equipped. Therefore, according to the invention, it is ensured by means of a redundant, additional electrically insulating insulation that the axial end sections neither directly delimit the coolant distributor chamber nor the coolant collector chamber. In this way, an undesired electrical short circuit of the coolant present in the coolant distributor chamber or in the coolant collector chamber with the electrically conductive stator windings can be prevented.
  • the second plastic mass neither directly limits the coolant distributor chamber nor the coolant collector chamber.
  • the thermal conductivity of the first plastic material is greater than the thermal conductivity of the second plastic material.
  • the thermal conductivity of the first plastic material is less than the thermal conductivity of the second plastic material.
  • the thermal conductivity of the first plastic material is equal to the thermal conductivity of the second plastic material.
  • At least one stator winding is embedded in the first plastic compound of the first plastic material in at least one intermediate space.
  • the first plastic compound with the stator winding embedded therein is embedded in the second plastic compound of the second plastic material or in which it is arranged in the second plastic compound or at least partially or completely surrounded by it.
  • said gap between the stator teeth can be used in the production of the plastic materials in the manner of a casting mold, in which the two plastic materials are injected. This simplifies the production of the plastic masses since the provision of a separate casting mold can be dispensed with.
  • the first and second plastic masses are arranged in at least two intermediate spaces, preferably in all intermediate spaces.
  • the at least one stator winding preferably all stator windings, including their respective two axial end sections are / are fixed on at least one stator tooth by means of the first plastic compound. In this way, the axial end portions can be permanently held stable on the stator body.
  • thermoplastics are adjustable by the choice of material composition.
  • the thermal conductivity of a thermoplastic may be equal to or greater than that of a thermoset and vice versa.
  • the use of thermoplastics has various advantages over the use of thermosetting plastics. For example, thermoplastics are more recyclable due to the reversible forming process used in their processing, and have less brittleness and improved damping properties compared to thermosets. However, since thermoplastics are usually more expensive to procure than thermosets, it is advisable to use thermoplastics selectively for cost reasons.
  • the first and / or the second plastic mass comprises a thermoplastic or is a thermoplastic in order to exploit the above-mentioned advantages.
  • a further preferred embodiment provides that the first and / or the second plastic mass comprises a thermoset or is a thermoset, whereby the above-mentioned cost advantages are exploitable.
  • the first plastic material comprises a thermoset or is a thermoset.
  • the second plastic material may comprise a thermoplastic or be a thermoplastic.
  • At least one cooling channel is arranged in the plastic compound. This measure ensures a particularly effective heat transfer between the stator windings and the cooling channel, since the cooling channel arranged in the intermediate space is in the immediate vicinity of the cooling stator windings.
  • the at least one cooling channel is formed by at least one breakthrough / m openings through which the coolant can flow, preferably through several, in the electrically insulating plastic, preferably in the second plastic compound.
  • This variant is technically particularly easy to implement and therefore particularly cost-effective.
  • the second plastic compound completely surrounds or envelopes at least one opening, preferably all openings, in a cross section perpendicular to the axial direction.
  • the opening forming the cooling channel can be thermally coupled to the stator windings particularly well.
  • at least one breakthrough in a cross section perpendicular to the axial direction may have the geometry of a rectangle with two broad sides and two narrow sides. In this way, the breakthrough is given the advantageous geometry of a flat tube, which in turn allows a space-saving arrangement of the cooling channel in the immediate vicinity of the stator winding (s) to be cooled.
  • the at least one cooling channel is preferably enveloped or surrounded by the second plastic compound. In this way, a particularly good thermal connection of the coolant flowing through the cooling channel to the stator winding is ensured.
  • the coolant distributor space and / or the coolant collector space for thermal coupling to the stator windings are at least partially disposed in the electrically insulating plastic, preferably in the first plastic mass. This allows a particularly good heat transfer between the coolant distribution chamber or
  • Coolant collector space and the stator windings so that the coolant distributor space or the coolant collector space for direct absorption of heat from the stator windings can be used.
  • the space limiting surface portions of the stator are coated with the first plastic composition. This measure ensures improved electrical insulation of the stator windings relative to the stator body.
  • the first and the second plastic compound together fill the at least one intermediate space substantially completely.
  • unwanted spaces such as in the art Air gaps, which would lead to an undesirable reduction of heat transfer avoided.
  • the first and the second plastic mass are each an injection molding compound of the first and second plastic material.
  • the application of an injection molding process simplifies and accelerates the production of the plastic materials. This leads to cost advantages in the production of electrical machine.
  • the stator comprises a, preferably ring-shaped, stator body, from which the stator teeth can protrude.
  • the first plastic compound is arranged at least on an outer peripheral side of the stator body. In this way, the stator can be electrically isolated from the environment of the electrical machine. 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 compound can envelop the stator body, preferably completely.
  • the first plastic compound forms an outer coating on the outer circumferential side. In this way, the stator body is electrically insulated on the outer peripheral side.
  • the first plastic mass protrudes axially, preferably on both sides, out of the respective intermediate space.
  • the first plastic mass can also be used for partially delimiting the coolant distributor space or the coolant collecting space.
  • a removal of the part of the first plastic mass which protrudes from the intermediate space during the production of the machine may be omitted, which entails cost advantages in the production of the machine.
  • a further advantageous embodiment therefore proposes that the first plastic mass at least partially limits the coolant distributor space and / or the coolant fan cavity.
  • the provision of a separate boundary for the coolant distributor chamber or the coolant collector chamber, for example in the form of a housing, can be dispensed with in this variant.
  • At least one cooling channel as well as the first and second plastics material prefferably be provided in each case in at least one, preferably in each intermediate space, between two stator teeth each adjacent in the circumferential direction. In this way it is ensured that operationally generated waste heat can be dissipated from all existing stator windings.
  • the at least one cooling channel is arranged radially outside or radially inside the respective stator winding in the intermediate space. This allows a space-efficient arrangement of the cooling channel close to the stator windings to be cooled, so that the electric machine for cooling the stator windings requires only little space.
  • At least one cooling channel can be arranged radially outside and additionally at least one further cooling channel can be arranged radially within the respective stator winding in the intermediate space.
  • at least two cooling channels are provided for the cooling of the stator winding, whereby an increased cooling capacity is effected.
  • a 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 which are separate from one another.
  • the tubular body can be stiffened, so that its mechanical strength is increased.
  • the pipe body may be formed by an electrically conductive material, in particular a metal, or an electrically insulating material, in particular a plastic.
  • An advantageous development proposes forming the tubular body as a flat tube, which extends along the axial direction and has two broad sides and two narrow sides in a cross-section perpendicular to the axial direction. Expediently, in the cross section perpendicular to the axial direction, at least one broad side of the flat tube extends substantially perpendicular to the radial direction.
  • a length of the two broad sides may preferably amount to at least four times, preferably at least ten times, a length of the two narrow sides.
  • At least one cooling channel is arranged in the stator body and is formed by at least one opening through which the coolant can flow.
  • Said breakthrough can be realized in the form of a through hole, which is introduced by means of a suitable drilling tool in the course of the production of the electric machine in the stator body.
  • the provision of a separate tubular body or similar to limit the cooling channel is omitted in this variant. This is accompanied by reduced production costs.
  • the at least one cooling channel in the stator body is expediently arranged with respect to the circumferential direction in the region between two adjacent stator teeth. This makes it possible to arrange the cooling duct close to the stator windings to be cooled, which improves the heat transfer from the stator windings to the cooling duct.
  • the opening forming the cooling channel is open towards the intermediate space.
  • the openings are particularly easy to produce, which is associated with cost advantages in the production.
  • the coolant distributor chamber and / or the coolant collector chamber are formed by a cavity which is present at least partially, preferably completely, in the first plastic mass.
  • the electrically insulating insulation is at least partially, preferably completely, formed by an insulating varnish.
  • an insulating varnish can be applied by spraying onto the stator windings during the production of the stator.
  • the electrically insulating plastic preferably by a third plastic compound, which is part of the electrically insulating plastic. This variant is particularly easy to manufacture and therefore inexpensive.
  • 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 electric 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 detailed representation of the stator of FIG. 2 in the region of an intermediate space between two circumferentially adjacent ones
  • FIGS. 4-6 variants of the example according to FIG. 3,
  • FIG. 7 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. 8 shows a second variant of the electric machine according to FIG. 1, which requires very little installation space
  • 9 shows a third variant of the machine according to FIG. 1, which enables 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 shown in a section perpendicular to the axis of rotation D along the section line II-II of FIG shown.
  • 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 generate a magnetic field.
  • a plurality of stator windings 6 which can be electrically energized to generate a magnetic field.
  • 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.
  • 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 may be electrically wired together in a suitable manner.
  • stator windings 6 During operation of the machine 1, the electrically energized stator windings 6 generate waste heat which has to be dissipated from the machine 1 in order to prevent overheating and concomitant 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 absorbs the waste 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 fluidically with the coolant collector chamber 5 by means of a plurality of cooling channels 10, of which only a single one can be seen in the representation of FIG. 1, in a cross section not shown in the figures. right to the axial direction A, the coolant distributor chamber 4 and the coolant collecting chamber 5 can each have an annular geometry.
  • a plurality of cooling channels 10 are arranged at a distance from one another, which extend in each case along the axial direction A from the annular coolant distributor chamber 4 to the annular coolant collector 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.
  • the coolant K is collected in the coolant collector 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 in each case two adjacent stator teeth 8 in the circumferential direction U.
  • Said interspaces 9 are also known to the person 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.
  • an electrically insulating plastic 11 is provided in each of the interspaces 9 according to FIG.
  • the electrically insulating plastic 11 is formed by a first plastic mass 11a of a first plastic material and by a second plastic mass 11b of a second plastic material whose thermal conductivity is greater than the thermal conductivity of the first plastic material.
  • the first plastic material 11 a is a thermoset.
  • the second plastic material 11 b is a thermoplastic.
  • a first and a second plastic compound 11a, 11b are arranged in each intermediate space 9.
  • the two plastic masses 11 a, 11 b are each injection molding compounds of the electrically insulating plastic 11.
  • the use of an injection molding process simplifies and accelerates the production of the plastic compound. It is conceivable, in variants of the example, to choose the plastic materials of the two plastic masses 11a, 11b such that the thermal conductivity of the second plastic material is smaller than the thermal conductivity of the first plastic material. In a further variant, two plastic materials with identical thermal conductivity can be used for the first and second plastic masses 11a, 11b.
  • stator windings 6 arranged in the intermediate space 9 and a cooling channel 10 are embedded in the first plastic compound 11a made of the first plastic material.
  • the first plastic mass 11 a with the stator winding 6 embedded therein and a cooling channel 10 are in turn embedded in the second plastic mass 11 b of the second plastic material or partially surrounded by the same.
  • the stator windings 6 each have two axial end sections 14a, 14b, on which an additional electrically insulating insulation is arranged.
  • the electrically conductive stator windings are usually already surrounded by electrical insulation in order to prevent electrical short circuits from being generated when individual winding sections contact each other.
  • the electrically insulating insulation can be formed by an insulating varnish.
  • Such an insulating varnish can be applied by spraying onto the stator windings 6 during the production of the stator 2.
  • stator windings 6, including their respective two axial end sections 14 a, 14 b, are fixed on the stator teeth 3 by means of the first plastic compound 11 a. In this way, the axial end portions 14a, 14b can be permanently held stable on the stator body 3.
  • stator winding 6 each partially a first stator winding 6a is associated, which is supported by a first stator tooth 8a, and partially associated with a second stator winding 6b, the one of the first stator tooth 8a in the circumferential direction U adjacent second stator tooth 8b is supported.
  • a virtual separation line 12 is shown in FIG.
  • the winding wires 13a shown in FIG. 3 left of the dividing line 12 belong to the stator winding 6a carried by the stator tooth 8a.
  • the winding wires 13b shown on the right of the dividing line 12 belong to the stator winding 6b carried by the stator tooth 8b.
  • the cooling channel 10 formed in the intermediate space 9 is realized by a plurality of apertures 40 arranged in the electrically insulating plastic 11 and permeable by the coolant K. Preferably surrounds the second plastic mass 11 b in the cross-section perpendicular to the axial direction A shown in Figure 3 a cross-section 40 each completely. In this way, the cooling channel 10 forming openings 40 can be particularly thermally coupled to the stator windings 6.
  • the breakthroughs 40 - four such breakthroughs 40 are shown purely by way of example in FIG. 3 - are arranged spaced apart from one another along the circumferential direction U and extend in each case along the axial direction A.
  • the openings 40 can be realized as through-holes which are made by means of a suitable drilling tool be introduced into the second plastic mass 11 b.
  • the openings 40 can each have the geometry of a rectangle with two broad sides 20 and with two
  • a length of the two broad sides 20 is at least twice, preferably at least four times, a length of the two narrow sides 21.
  • the openings 40 forming the cooling channel 10 are arranged radially outside the stator windings 6 with respect to the radial direction R in the plastic compound 11.
  • the radial distance of the cooling channel 10 to the axis of rotation D of the rotor 3 is therefore greater than the distance of the stator winding 6 to the rotation axis D.
  • an arrangement of the cooling channels 10 radially inward is also conceivable.
  • the two broad sides 20 of the openings 40 each extend perpendicular to the radial direction R.
  • the surfaces 9 of the stator body 7 delimiting the interspaces are overmolded with the second plastic material, preferably a thermoplastic, and in this way the second plastic mass 11 b is formed.
  • the material of the Stator body 7 to the respective gap 9 out electrically isolated.
  • the stator windings 6 are introduced into the intermediate spaces 9 and arranged on the stator teeth 8.
  • the electrically insulating plastic 11 it is composed of the two plastic masses 11 a, 11 b, the stator body 7 with the first plastic compound 11 a bil-forming first plastic material can be encapsulated. Before or after, the openings 40 forming the cooling channel 10 can be introduced into the second plastic compound 11 b with the aid of a suitable drilling tool.
  • FIG. 4 shows a variant of the example of FIG. 3.
  • the cooling channel 10 is not arranged in the first plastic mass 11 a but in the stator body 7 of the stator 2.
  • the openings 40 forming the cooling channel 10 are arranged radially outside the intermediate space 9 and with respect to the circumferential direction U between two adjacent stator teeth 8a, 8b in the stator body 7.
  • the cooling channel 10 is formed by apertures 40, but in the variant of Figure 4 in the stator 7 - and not in the plastic 11 - are arranged.
  • the cooling channel 10 can, preferably in the course of the production of the stator 7, by introducing the openings 40 - preferably in the form of holes by means of a suitable drilling tool - in the stator body 7 and in which the stator 7 forming stator body plates - are formed.
  • FIG. 5 shows a variant of the example of FIG. 4. Also in the variant according to FIG. 5, the openings 40 forming the cooling channel 10 are arranged in the stator body 7 of the stator 2. In the example of FIG. 5, however, in contrast to the variant of FIG. 4, the openings 40 arranged in the stator body 7 are open towards the intermediate space 9. As Figure 5 reveals will be the openings 40 toward the gap 9 and closed by the space provided in the second space 9 plastic compound 11 b fluid-tight.
  • FIG. 6 shows a further development of the example of FIG. 5.
  • a cooling channel 10 is formed both in the stator body 7 and in the first plastic mass 11 a.
  • the cooling channel 10 arranged in the first plastic mass 11 a is also referred to below as "radially inner cooling channel” 10 b. With regard to the radial direction R, the stator winding 6 is thus arranged between the two cooling channels 10a, 10b.
  • the radially inner cooling passage 10b can be formed by a tubular body 16, for example made of aluminum, which surrounds a tubular body interior 22.
  • the material for the tubular body 16 or the cooling channel 10, 10a is an electrically conductive material, in particular a metal, or an electrically insulating material, in particular a plastic, into consideration.
  • one or more separating elements 18 may be formed on the tubular body 16, which subdivide the cooling channel 10b into partial cooling channels 19 which are fluidically separated from one another. In this way, the flow behavior of the coolant K in the cooling passage 10b can be improved, which results in an improved heat transfer to the coolant.
  • tubular body 16 is additionally stiffened mechanically.
  • two such separating elements 18 are shown by way of example, so that three partial cooling channels 19 result.
  • a different number of separating elements 18 is also possible.
  • the tubular body 16 may be formed as a flat tube 17, which has two broad sides 20 and two narrow sides 21 in cross section perpendicular to the axial direction A.
  • a length of the two broad sides 20 in this case is at least four times, preferably at least ten times, one Length of the two narrow sides 21.
  • the broad sides 20 extend perpendicular to the radial direction R.
  • the preferably integrally formed, first plastic mass 11 a can protrude axially from the intermediate spaces 9 on both sides.
  • an effective heat transfer with the coolant K present in the coolant distributor chamber 4 or coolant collector chamber 5 can also be produced in the region of the usually thermally stressed axial end sections 14a, 14b of the relevant stator winding 6. This measure allows a particularly effective cooling of the two axial end sections 14a, 14b of the stator winding 6.
  • 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.
  • a part of the coolant distributor chamber 4 is arranged in the first end shield 25a and a part of the coolant reservoir 5 is arranged in the second end shield 25b.
  • the coolant distributor chamber 4 and the coolant collector chamber 5 are thus each partially formed by a cavity 41 a, 41 b provided in the first plastic compound 11 a.
  • the first cavity 41 a is supplemented by a cavity 42 a formed in the first end shield 25 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 fluidly connects the coolant distribution chamber 4 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 be formed correspondingly, which fluidly connects the coolant collecting space 5 to a coolant outlet 34 provided on the outer side, in particular on the circumferential side of the bearing plate 25b, as shown in FIG.
  • the first plastic compound 11a made of the electrically insulating plastic 11 can also be arranged on an outer peripheral 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 surroundings. The provision of a separate housing for receiving the stator body 7 can thus be omitted.
  • FIG. 7 shows a variant of the example of FIG. 1.
  • the coolant supply 35 can thermally adhere to the first shaft bearing 32a disposed in the first end shield 25a 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.
  • the coolant inlet 33 and the coolant outlet 34 on the outer end face 26a, 26b of the respective end shield 25a, 25b are provided.
  • the stator windings 6 are arranged radially along the radial direction R within the cooling channels 10.
  • 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 passage 39 is arranged radially between the coolant distributor chamber 4 or the coolant collector chamber 5 and the axis of rotation D.
  • the coolant distributor chamber 4 and the coolant collector 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 inside the cooling channels 10 along the radial direction R.
  • the stator windings 6 are led out of the stator 2 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 leadthrough 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 manner in the longitudinal section along the axis of rotation D shown in FIG. 9, ie axially endwise and radially inward and radially outward.
  • the coolant collector chamber 5 surrounds the second axial end section 14b of the respective stator winding 6 in a U-shaped manner, that is to say axially endwise and radially inward and radially outward.
  • cooling channels 10 are provided both radially inside and radially outside of the stator winding 6.
  • the respective stator windings 6, including their axial end sections 14a, 14b, are in direct thermal contact with the coolant K via the cooling channels 10 and the coolant distributor chamber 4 and the cooling medium collector chamber 5. This allows a particularly effective cooling of the stator winding 6 inclusive the thermally special loads exposed axial end portions 14a, 14b.

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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 Statorwicklungen (6) aufweist, - mit einem Kühlmittelverteilerraum (4) und einem axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum (5), wobei der Kühlmittelverteilerraum (5) zum Kühlen der Statorwicklungen (6) mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel (K) durchströmbaren Kühlkanals (10) fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum (5) kommuniziert, - wobei der zumindest eine Kühlkanal (10) und zumindest eine Statorwicklung (6) zur thermischen Kopplung in einen elektrisch isolierenden Kunststoff (11) eingebettet sind, - wobei der Stator (2) sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung (U) beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne (8) besitzt, welche die Statorwicklungen (6) tragen, - wobei der elektrisch isolierende Kunststoff (11) mit dem zumindest einen Kühlkanal (10) und mit der zumindest einen Statorwicklung (6) in zumindest einem Zwischenraum (9) angeordnet ist, der zwischen zwei in der Umfangsrichtung (U) benachbarten Statorzähnen (8) ausgebildet ist, - wobei der elektrisch isolierende Kunststoff (11) durch eine erste Kunststoffmasse (11a) aus einem ersten Kunststoffmaterial und durch eine zweite Kunststoffmasse (11b) aus einem zweiten Kunststoffmaterial gebildet 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 Elekt romotor oder um einen Generator handeln. Die elektrische Maschine kann als Au- ßenläufer 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 begrenzen- den Mantel, axial einerseits eine den Innenraum axial begrenzende Rückseiten- wand und axial andererseits eine den Innenraum axial begrenzende Vordersei- tenwand 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 verbun- denen Beschädigung oder gar Zerstörung des Stators abgeführt werden muss. Flierzu ist es aus herkömmlichen elektrischen Maschinen bekannt, diese mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Stators - insbesondere besagter Statorwicklun- gen - auszustatten. Eine solche Kühleinrichtung umfasst einen oder mehrere Kühlkanäle, die von einem Kühlmittel durchströmt werden und in der Nähe der Statorwicklungen im Stator 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 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 Ausfüh- rungsform 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, welche sich durch eine verbesserte Kühlung der Statorwicklungen des Stators bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Pa- tentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, die Statorwicklungen einer elektrischen Maschine zum Kühlen der Statorwicklungen in einen elektrisch isolierenden Kunststoff einzubetten, der durch zwei verschiedene Kunststoffmassen unter- schiedlicher thermischer Leitfähigkeit gebildet wird.
Somit kann der Kunststoff als wärmeübertragendes Medium zur Übertragung von Wärme von den Statorwicklungen auf das durch einen Kühlkanal strömende Kühlmittel einerseits und als elektrischer Isolator für die Statorwicklungen anderer- seits wirken. Auf diese Weise wird insbesondere ein besonders guter Wärmeüber- gang zwischen den Statorwicklungen und dem durch den Kühlkanal geführten Kühlmittel hergestellt. Durch Verwendung eines elektrisch isolierenden Kunststoffs wird außerdem gewährleistet, dass die zu kühlenden Statorwicklungen durch den Kunststoff nicht auf unerwünschte Weise elektrisch kurzgeschlossen werden. Die Verwendung zweier Kunststoffmassen aus Kunststoffmaterialien unterschied- licher thermischer Leitfähigkeit erlaubt es, in Bereichen, in welchen zur Wärmeab- führung eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit erforderlich ist, auf ein teu- res Kunststoffmaterial mit hoher thermischer Leitfähigkeit zurückzugreifen. In Be- reichen, in welchen keine hohe thermische Leitfähigkeit erforderlich ist, kann hin gegen auf einen - typischerweise kostengünstiger zu beschaffenden - Kunststoff zurückgegriffen werden. Diese Vorgehensweise führt im Ergebnis zu erheblichen Kostenvorteilen bei der Herstellung der elektrischen Maschine.
Die direkte thermische Ankopplung des Kühlkanals mit dem Kühlmittel an die zu kühlenden Statorwicklungen mithilfe der erfindungswesentlichen Einbettung der Statorwicklung(en) in einen elektrisch isolierenden Kunststoff führt zu einer be- sonders effektiven Kühlung der Statorwicklungen. Somit kann auch in einem Hochlastbetrieb der elektrischen Maschine sichergestellt werden, dass die anfal- lende Abwärme vom Stator abgeführt werden kann. Eine Beschädigung oder gar Zerstörung der elektrischen Maschine durch Überhitzung des Stators kann somit vermieden werden.
Die Herstellung des elektrisch isolierenden Kunststoffs kann bevorzugt mittels Spritzgießens erfolgen, bei welchem die zu kühlenden Statorwicklungen sowie op- tional auch der Kühlkanal zur Ausbildung der beiden Kunststoffmassen mit dem Kunststoff umspritzt werden. Die Einbettung der Statorwicklung in die Kunststoff- massen gestaltet sich daher sehr einfach, obwohl zwei unterschiedliche Kunst- stoffmaterial ien verwendet werden. Auch daraus ergeben sich Kostenvorteile bei der Herstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Ein weiterer Vor- teil der hier vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass die zweite Kunststoff- masse als zusätzliche elektrische Isolation zwischen den Statorwicklungen und dem Statorkörper wirken kann. Für den Fall, dass - fertigungsbedingt - nicht alle Statorwicklungen vollständig in die erste Kunststoffmasse eingebettet werden können, verhindert die zweite Kunststoffmasse in jedem Fall einen etwaigen elektrischen Kurzschluss mit dem elektrisch leitenden Material des Statorkörpers.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere für ein Fahrzeug, umfasst einen Rotor, der um eine Rotationsachse drehbar ist, durch welche wie- derum eine axiale Richtung der elektrischen Maschine definiert ist. Die Maschine umfasst weiterhin einen Stator, der Statorwicklungen aufweist. Der Stator besitzt sich entlang der axialen Richtung erstreckende und entlang einer Umfangsrich- tung beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne, welche die Statorwicklun- gen tragen. Die Maschine umfasst weiterhin einen Kühlmittelverteilerraum und ei- nem axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum. Der Kühlmittelverteilerraum kommuniziert zum Kühlen der Statorwicklungen mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanals fluidisch mit dem Kühlmittelsammlerraum. Zumindest eine Statorwicklung ist zur thermischen Kopplung in einen elektrisch isolierenden Kunststoff eingebettet. Dabei ist der elektrisch isolierende Kunststoff mit der zumindest einen Statorwicklung in zumin- dest einem Zwischenraum angeordnet, der zwischen zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist der elektrisch isolierende Kunststoff durch eine erste Kunststoffmasse aus einem ersten Kunst- stoffmaterial und durch eine zweite Kunststoffmasse aus einem zweiten Kunst- stoffmaterial gebildet, dessen thermische Leitfähigkeit größer ist als die thermi- sche Leitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials.
Erfindungsgemäß weist die wenigstens eine Statorwicklung zwei axiale Endab- schnitte auf, auf welchen eine zusätzliche elektrisch isolierende Isolation angeord- net ist. Zwar werden die elektrisch leitenden Statorwicklungen üblicherweise be- reits mit einer elektrischen Isolation umgeben, um zu verhindern, dass bei Kontakt einzelner Wicklungsabschnitte miteinander elektrische Kurzschlüsse erzeugt wer- den. Jedoch kann nicht sichergestellt werden, dass nach Fertigung und Montage der Statorwicklungen alle diese Statorwicklungen durchgehend mit einer solchen Isolation ausgestattet sind. Erfindungsgemäß wird daher mittels einer redundan- ten, zusätzlichen elektrisch isolierenden Isolation sichergestellt, dass die axialen Endabschnitte weder den Kühlmittelverteilerraum noch den Kühlmittelsammler- raum unmittelbar begrenzen. Auf diese Weise kann ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss des im Kühlmittelverteilerraum bzw. im Kühlmittelsammlerraum vor- handenen Kühlmittels mit den elektrisch leitenden Statorwicklungen verhindert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform begrenzt die zweite Kunststoffmasse weder den Kühlmittelverteilerraum noch den Kühlmittelsammlerraum unmittelbar.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die thermische Leitfähig keit des ersten Kunststoffmaterials größer als die thermische Leitfähigkeit des zweiten Kunststoffmaterials.
Alternativ dazu ist gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die thermische Leitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials kleiner als die thermische Leitfähigkeit des zweiten Kunststoffmaterials.
Alternativ dazu ist gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die thermische Leitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials gleich der thermischen Leitfähigkeit des zweiten Kunststoffmaterials.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in zumindest einem Zwischenraum zumindest eine Statorwicklung in die erste Kunststoffmasse aus dem ersten Kunststoffmaterial eingebettet. Des Weiteren ist die erste Kunststoffmasse mit der darin eingebetteten Statorwicklung in die zweite Kunststoffmasse aus dem zweiten Kunststoffmaterial eingebettet oder in der in die zweite Kunststoffmasse angeord- net oder von dieser zumindest teilweise oder vollständig umgeben. Diese Maß- nahme stellt einen besonders guten Wärmeübergang zwischen den Statorwick- lungen und dem Kühlkanal sicher. Darüber hinaus kann besagter Zwischenraum zwischen den Statorzähnen bei der Herstellung der Kunststoffmassen in der Art einer Gussform verwendet werden, in welche die beiden Kunststoffmassen einge- spritzt werden. Dies vereinfacht die Herstellung der Kunststoffmassen, da die Be- reitstellung einer separaten Gussform entfallen kann.
Besonders bevorzugt ist in wenigstens zwei Zwischenräumen, vorzugsweise in al- len Zwischenräumen, die erste und zweite Kunststoffmasse angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist/sind die zumindest eine Statorwick- lung, vorzugsweise alle Statorwicklungen, einschließlich ihrer jeweiligen beiden axialen Endabschnitte mittels der ersten Kunststoffmasse auf wenigstens einem Statorzahn fixiert. Auf diese Weise können auch die axialen Endabschnitte dauer- haft stabil am Statorkörper gehalten werden.
Die thermische Leitfähigkeit von sowohl Duroplasten als auch Thermoplasten ist durch die Wahl der Werkstoffzusammensetzung einstellbar. Somit kann die ther- mische Leitfähigkeit eines Thermoplasts gleich oder größer sein als die eines Duroplasten et vice versa. Ein Einsatz von Thermoplasten weist diverse Vorteile gegenüber dem Einsatz von Duroplasten auf. Beispielsweise sind Thermoplaste infolge des bei ihrer Verarbeitung angewandten reversiblen Formgebungsprozes- ses besser recyclebar bzw. weisen im Vergleich zu Duroplasten eine geringere Sprödheit und verbesserte Dämpfungseigenschaften auf. Da Thermoplasten je- doch gewöhnlich teurer in der Beschaffung sind als Duroplasten, empfiehlt es sich aus Kostengründen, Thermoplaste selektiv einzusetzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste und/oder die zweite Kunststoffmasse einen Thermoplasten oder ist ein Thermoplast, um oben genann- te Vorteile auszunutzen. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die erste und/oder die zweite Kunststoffmasse einen Duroplasten umfasst oder ein Duroplast ist, womit die oben genannten Kostenvorteile ausnutzbar sind.
Zweckmäßig umfasst das erste Kunststoffmaterial einen Duroplasten oder ist ein Duroplast. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Kunststoffmaterial einen Thermoplasten umfassen oder ein Thermoplast sein. Mit der Verwendung eines Duroplasten mit reduziert eingestellter thermischer Leitfähigkeit in denjenigen Be- reichen, die betreffend Wärmeübertragung als weniger kritisch anzusehen sind, gehen reduzierte Herstellungskosten einher.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Kühlkanal in der Kunststoffmasse angeordnet. Diese Maßnahme stellt einen besonders effekti ven Wärmeübergang zwischen den Statorwicklungen und dem Kühlkanal sicher, da sich der im Zwischenraum angeordnete Kühlkanal in unmittelbarer Nachbar- schaft zu den kühlenden Statorwicklungen befindet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Kühlkanal durch wenigstens einen, vorzugsweise durch mehrere, in dem elektrisch isolieren- den Kunststoff, vorzugsweise in der zweiten Kunststoffmasse, vorgesehene(n) und von dem Kühlmittel durchströmbaren Durchbruch/m Durchbrüche gebildet. Diese Variante ist technisch besonders einfach zu realisieren und daher beson- ders kostengünstig.
Besonders bevorzugt umgibt oder umhüllt die zweite Kunststoffmasse in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung zumindest einen Durchbruch, vor- zugsweise alle Durchbrüche, vollständig. Auf diese Weise kann der den Kühlkanal bildende Durchbruch besonders gut thermisch an die Statorwicklungen angekop- pelt werden. Zweckmäßig kann zumindest ein Durchbruch in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten aufweisen. Auf diese Weise wird dem Durchbruch die vorteilhafte Geometrie eines Flachrohrs verliehen, welche wiederum eine bauraumsparende Anordnung des Kühlkanals in unmittelbarer Nähe der zu kühlenden Statorwick- lung(en) erlaubt.
Bevorzugt ist der zumindest eine Kühlkanal von der zweiten Kunststoffmasse um- hüllt oder umgeben. Auf diese Weise wird eine besonders gute thermische Ver- bindung des durch den Kühlkanal strömenden Kühlmittels mit der Statorwicklung sichergestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Kühlmittelverteilerraum und/oder der Kühlmittelsammlerraum zur thermischen Ankopplung an die Stator- wicklungen wenigstens teilweise in dem elektrisch isolierenden Kunststoff, vor- zugsweise in der ersten Kunststoffmasse, angeordnet. Dies ermöglicht einen be- sonders guten Wärmeübergang zwischen dem Kühlmittelverteilerraum bzw.
Kühlmittelsammlerraum und den Statorwicklungen, sodass auch der Kühlmittelver- teilerraum bzw. der Kühlmittelsammlerraum zur direkten Aufnahme von Wärme von den Statorwicklungen verwendet werden kann.
Zweckmäßig sind die den Zwischenraum begrenzenden Oberflächenabschnitte des Stators mit der ersten Kunststoffmasse beschichtet. Diese Maßnahme stellt eine verbesserte elektrische Isolierung der Statorwicklungen gegenüber dem Statorkörper sicher.
Besonders bevorzugt füllen die erste und die zweite Kunststoffmasse zusammen den zumindest einen Zwischenraum im Wesentlichen vollständig aus. Auf diese Weise wird die Ausbildung von unerwünschten Zwischenräumen, etwa in der Art von Luftspalten, die zu einer unerwünschten Minderung des Wärmeübergangs führen würden, vermieden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Kunststoffmasse jeweils eine Spritzgussmasse aus dem ersten bzw. zweiten Kunststoffmaterial. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens vereinfacht und beschleunigt die Erzeugung der Kunststoffmassen. Dies führt zu Kostenvorteilen bei der Herstellung der elektrischen Maschine.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Stator einen, vorzugsweise ring- förmigen, Statorkörper, von welchem die Statorzähne abstehen können. Bei dieser Weiterbildung ist die erste Kunststoffmasse zumindest auf einer Außenumfangs- seite des Statorkörpers angeordnet. Auf diese Weise kann der Stator elektrisch gegen die Umgebung der elektrischen Maschine 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. Besonders bevorzugt bildet die erste Kunststoffmasse auf der Au- ßenumfangsseite eine Außenbeschichtung aus. Auf diese Weise wird der Stator- körper außenumfangsseitig elektrisch isoliert.
Zweckmäßig ragt die erste Kunststoffmasse axial, vorzugsweise beidseitig, aus dem jeweiligen Zwischenraum heraus. Somit kann die erste Kunststoffmasse auch zum teilweisen Begrenzen des Kühlmittelverteilerraums bzw. des Kühlmittelsamm- lerraums verwendet werden. Insbesondere kann ein im Zuge der Herstellung der Maschine erforderliches Entfernen des aus dem Zwischenraum herausragenden Teils der ersten Kunststoffmasse entfallen, womit Kostenvorteile bei der Herstel- lung der Maschine einhergehen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung schlägt daher vor, dass die erste Kunst- stoffmasse den Kühlmittelverteilerraum und/oder den Kühlmittelsannnnlerraunn zu mindest teilweise begrenzt. Die Bereitstellung einer separaten Begrenzung für den Kühlmittelverteilerraum bzw. den Kühlmittelsammlerraum, etwa in Form eines Ge- häuses, kann bei dieser Variante entfallen.
Zweckmäßig können in zumindest einem, vorzugsweise in jedem Zwischenraum, zwischen zwei jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen jeweils zumindest ein Kühlkanal sowie die erste und zweite Kunststoffmasse vorgesehen sein. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass aus allen vorhandenen Statorwick- lungen betriebsmäßig erzeugte Abwärme abgeführt werden kann.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Kühl kanal radial außerhalb oder radial innerhalb der jeweiligen Statorwicklung in dem Zwischenraum angeordnet. Dies ermöglicht eine bauraum-effiziente Anordnung des Kühlkanals nahe an den zu kühlenden Statorwicklungen, so dass die elektri- sche Maschine für die Kühlung der Statorwicklungen nur wenig Bauraum benötigt.
Alternativ dazu kann auch zumindest ein Kühlkanal radial außerhalb und zusätz- lich zumindest ein weiterer Kühlkanal radial innerhalb der jeweiligen Statorwick- lung im Zwischenraum angeordnet sein. Bei dieser Variante sind für die Kühlung der Statorwicklung also zumindest zwei Kühlkanäle vorgesehen, wodurch eine er- höhte Kühlleistung bewirkt wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung schlägt vor, den zumindest einen Kühlkanal als Rohrkörper auszubilden, der einen Rohrkörperinnenraum umgibt. Bei dieser Vari- ante ist am Rohrkörper wenigstens ein Trennelement ausgeformt, welches den Rohrkörperinnenraum in wenigstens zwei fluidisch voneinander getrennte Teil- kühlkanäle unterteilt. Mittels besagter Trennelemente kann der Rohrkörper ausge- steift werden, sodass sich seine mechanische Festigkeit erhöht. Der Rohrkörper kann durch ein elektrisch leitendes Material, insbesondere ein Metall, oder ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere einen Kunststoff, gebildet sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung schlägt vor, den Rohrkörper als Flachrohr auszu- bilden, welches sich entlang der axialen Richtung erstreckt und in einem Quer- schnitt senkrecht zur axialen Richtung zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten aufweist. Zweckmäßig erstreckt sich in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung zumindest eine Breitseite des Flachrohrs im Wesentlichen senkrecht zur radialen Richtung. Eine Länge der beiden Breitseiten kann dabei bevorzugt we- nigstens das Vierfache, vorzugsweise wenigstens das Zehnfache, einer Länge der beiden Schmalseiten betragen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Kühlkanal im Statorkörper angeordnet und wird durch wenigstens einen, von dem Kühlmittel durchströmbaren Durchbruch gebildet. Besagter Durchbruch kann in Form einer Durchgangsbohrung realisiert sein, die mittels einer geeigneten Bohrwerkzeugs im Zuge der Herstellung der elektrischen Maschine in den Statorkörper eingebracht wird. Die Bereitstellung eines separaten Rohrkörpers o.ä. zur Begrenzung des Kühlkanals entfällt bei dieser Variante. Damit gehen reduzierte Herstellungskosten einher. Besonders bevorzugt sind mehrere solche Durchbrüche vorgesehen.
Zweckmäßig ist der zumindest eine Kühlkanal im Statorkörper bzgl. der Umfangs- richtung im Bereich zwischen zwei benachbarten Statorzähnen angeordnet. Dies ermöglicht es, den Kühlkanal nahe an den zu kühlenden Statorwicklungen anzu- ordnen, was die Wärmeübertragung von den Statorwicklungen zum Kühlkanal verbessert.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der den Kühlkanal bildende Durchbruch zum Zwischenraum hin offen ausgebildet. Dabei ist besagter Durch- bruch von dem im Zwischenraum angeordneten, elektrisch isolierenden Kunst- Stoff, vorzugsweise von der zweiten Kunststoffmasse, fluiddicht verschlossen. Bei dieser Variante sind die Durchbrüche besonders einfach zu erzeugen, womit Kos- tenvorteile bei der Herstellung einhergehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Kühlmittelverteiler- raum und/oder der Kühlmittelsammlerraum durch einen zumindest teilweise, vor- zugsweise vollständig, in der ersten Kunststoffmasse vorhandenen Hohlraum ge- bildet. Die Bereitstellung einer separaten Umhüllung bzw. eines Gehäuses zur Begrenzung des Kühlmittel Verteilers bzw. Kühlmittelsammlerraums kann somit entfallen. Auch mit dieser Ausführungsform gehen nicht unerhebliche Kostenvor- teile einher.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrisch isolierende Isolation zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, durch einen Isolationslack gebildet. Ein solcher Isolationslack kann im Zuge der Herstellung des Stators durch Besprühen auf die Statorwicklungen aufgebracht werden. Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, die zusätzliche Isolation durch den elektrisch isolierenden Kunststoff, vorzugsweise durch eine dritte Kunststoffmasse, zu realisieren, die Teil des elektrisch isolierenden Kunststoffs ist. Diese Variante ist besonders einfach herzu- stellen und somit kostengünstig.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug mit ei- ner vorangehend vorgestellten elektrischen Maschine. Die oben erläuterten Vortei- le der elektrischen Maschine übertragen sich daher auch auf das erfindungsge- mäße Fahrzeug.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un- teransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschrei- bung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu er- läuternden 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 darge- stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in ei- nem Längsschnitt entlang der Rotationsachse des Rotor,
Fig. 2 den Stator der elektrischen Maschine gemäß Figur 1 in einem Quer- schnitt senkrecht zur Rotationsachse des Rotors,
Fig. 3 eine Detaildarstellung des Stators der Figur 2 im Bereich eines Zwi- schenraum zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten
Statorzähnen,
Fig. 4-6 Varianten des Beispiels gemäß Figur 3,
Fig. 7 eine erste Variante der elektrischen Maschine der Figur 1 , bei wel- cher das durch die Kühlkanäle strömende Kühlmittel auch zur Küh- lung der Wellenlager des Rotors verwendet wird,
Fig. 8 eine zweite Variante der elektrischen Maschine gemäß Figur 1 , wel- che besonders wenig Bauraum beansprucht, Fig. 9 eine dritte Variante der Maschine gemäß Figur 1 , welche eine be- sonders 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 grobschema- tisch 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 Schnittlinie 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 ent- lang 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 In- nenläufer. 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 magneti- sche Wechselwirkung des von den Magneten des Rotor 3 erzeugten magneti- sehen 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 Statorkör- per 7 weg abstehen und entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander 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 ein- zelnen Statorwicklungen 6 der gesamten Wicklungsanordnung in geeigneter Wei- se 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 zu verhindern. Daher werden die Statorwicklungen 6 mithilfe eines Kühlmittels K gekühlt, welches durch den Stator 2 geführt wird und die von den Statorwicklun- gen 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 Kühlmit- tel K eingeleitet werden kann. Entlang der axialen Richtung A im Abstand zum Kühlmittelverteilerraum 4 ist ein Kühlmittelsammlerraum 5 angeordnet. Der Kühl- mittelverteilerraum 4 kommuniziert mittels mehrerer Kühlkanäle 10, von welchen in der Darstellung der Figur 1 nur ein einziger erkennbar ist, fluidisch mit dem Kühl- mittelsammlerraum 5. In einem in den Figuren nicht gezeigten Querschnitt senk- recht zur axialen Richtung A können der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühl- mittelsammlerraum 5 jeweils eine ringförmige Geometrie besitzen. Entlang der Umfangsrichtung U sind mehrere Kühlkanäle 10 beabstandet zueinander ange- ordnet, die sich jeweils entlang der axialen Richtung A vom ringförmigen Kühlmit- telverteilerraum 4 zum ringförmigen Kühlmittelsammlerraum 5 erstrecken. Somit kann das über den Kühlmitteleinlass 33 in den Kühlmittelverteilerraum 4 einge- brachte Kühlmittel K auf die einzelnen Kühlkanäle 10 verteilt werden. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 10 und der Aufnahme von Wärme von den Stator- wicklungen wird das Kühlmittel K im Kühlmittelsammlerraum 5 gesammelt und über einen am Stator 2 vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 wieder aus der Ma- schine 1 ausgeleitet.
Wie die Darstellungen der Figuren 1 und 2 erkennen lassen, sind die Statorwick- lungen 6 in Zwischenräumen 9 angeordnet, die zwischen jeweils zwei in Umfangs- richtung U benachbarten Statorzähnen 8 ausgebildet sind. Besagte Zwischenräu- me 9 sind dem einschlägigen Fachmann auch als sogenannte“Stator-Nuten“ oder “Stator-Schlitze“ bekannt, die sich ebenso wie die Statorzähne 8 entlang der axia- len 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 Folgen- den auch als Statorzähne 8a, 8b bezeichnet - ausgebildeten Zwischenraum 9 in einer Detaildarstellung zeigt. Um die Wärmeübertragung der von den Statorwick- lungen 6 erzeugten Abwärme auf das durch die Kühlkanäle 10 strömende Kühlmit- tel K zu verbessern, ist entsprechend Figur 3 in den Zwischenräumen 9 jeweils ein elektrisch isolierender Kunststoff 11 vorgesehen. Der elektrisch isolierende Kunst- stoff 11 ist durch eine erste Kunststoffmasse 11 a aus einem ersten Kunststoffma- terial und durch eine zweite Kunststoffmasse 11 b aus einem zweiten Kunststoff- material gebildet, dessen thermische Leitfähigkeit größer ist als die thermische Leitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials. Das erste Kunststoffmaterial 11 a ist ein Duroplast. Das zweite Kunststoffmaterial 11 b ist ein Thermoplast. Im Bei- spielszenario sind in allen Zwischenräumen 9 jeweils eine erste und eine zweite Kunststoffmasse 11a, 11 b angeordnet. Bevorzugt sind die beiden Kunststoffmas- sen 11 a, 11 b jeweils Spritzgussmassen aus dem elektrisch isolierenden Kunststoff 11. Die Anwendung eines Spritzgussverfahrens vereinfacht und beschleunigt die Herstellung der Kunststoffmasse. Denkbar ist es, in Varianten des Beispiels die Kunststoffmaterialien der beiden Kunststoffmassen 11 a, 11 b so zu wählen, dass thermische Leitfähigkeit des zweiten Kunststoffmaterials kleiner ist als die thermi- sche Leitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials. In einer weiteren Variante kön- nen für die erste und zweite Kunststoffmasse 11 a, 11 b auch zwei Kunststoffmate- rialien mit identischer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
Gemäß Figur 3 sind die in dem Zwischenraum 9 angeordneten Statorwicklungen 6 und ein Kühlkanal 10 in die erste Kunststoffmasse 11a aus dem ersten Kunst- stoffmaterial eingebettet. Die erste Kunststoffmasse 11 a mit der darin eingebette- ten Statorwicklung 6 und ein Kühlkanal 10 sind wiederum in die zweite Kunst- stoffmasse 11 b aus dem zweiten Kunststoffmaterial eingebettet bzw. teilweise von dieser umgeben.
Gemäß Figur 1 weisen die Statorwicklungen 6 jeweils zwei axiale Endabschnitte 14a, 14b auf, auf welchen eine zusätzliche elektrisch isolierende Isolation ange- ordnet ist. Zwar werden die elektrisch leitenden Statorwicklungen üblicherweise bereits mit einer elektrischen Isolation umgeben, um zu verhindern, dass bei Kon- takt einzelner Wicklungsabschnitte miteinander elektrische Kurzschlüsse erzeugt werden. Jedoch kann nicht sichergestellt werden, dass nach Fertigung und Mon- tage der Statorwicklungen 6 alle diese Statorwicklungen 6durchgehend mit einer solchen Isolation ausgestattet sind. Daher wird mittels der redundanten, zusätzli- chen elektrisch isolierenden Isolation sichergestellt, dass die axialen Endabschnit- te 14a, 14b weder den Kühlmittelverteilerraum 4 noch den Kühlmittelsammlerraum 5 unmittelbar begrenzen. Auf diese Weise kann ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss des im Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. im Kühlmittelsammlerraum 5vorhandenen Kühlmittels mit den elektrisch leitenden Statorwicklungen verhindert werden.
Die elektrisch isolierende Isolation kann durch einen Isolationslack gebildet wer- den . Ein solcher Isolationslack kann im Zuge der Herstellung des Stators 2 durch Besprühen auf die Statorwicklungen 6 aufgebracht werden. Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, die zusätzliche Isolation durch den elektrisch isolierenden Kunststoff 11 , beispielsweise durch eine weitere, dritte Kunststoffmasse, zu real i- sieren, die Teil des elektrisch isolierenden Kunststoffs 11 ist.
Die Statorwicklungen 6 einschließlich ihrer jeweiligen beiden axialen Endabschnit- te 14a, 14b sind mittels der ersten Kunststoffmasse 11 a auf den Statorzähnen 3 fixiert. Auf diese Weise können auch die axialen Endabschnitte 14a, 14b dauer- haft stabil am Statorkörper 3 gehalten werden.
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 Stator- wicklung 6b zugeordnet ist, die von einem dem ersten Statorzahn 8a in Umfangs- richtung U benachbarten, zweiten Statorzahn 8b getragen ist. Zur Verdeutlichung dieses Szenarios ist in Figur 3 eine virtuelle Trennlinie 12 eingezeichnet. Die in Fi- gur 3 links der Trennlinie 12 gezeigten Wicklungsdrähte 13a gehören zu der von dem Statorzahn 8a getragenen Statorwicklung 6a. Die rechts der Trennlinie 12 gezeigten Wicklungsdrähte 13b gehören zu der von dem Statorzahn 8b getrage- nen Statorwicklung 6b.
Gemäß Figur 3 ist der in dem Zwischenraum 9 ausgebildete Kühlkanal 10 durch mehrere in dem elektrisch isolierenden Kunststoff 11 angeordnete und von dem Kühlmittel K durchströmbare Durchbrüche 40 realisiert. Bevorzugt umgibt die zweite Kunststoffmasse 11 b in dem in Figur 3 gezeigten einem Querschnitt senk- recht zur axialen Richtung A die Durchbrüche 40 jeweils vollständig. Auf diese Weise können die den Kühlkanal 10 bildende Durchbrüche 40 besonders wirksam thermisch an die Statorwicklungen 6 gekoppelt werden.
Die Durchbrüche 40 - in Figur 3 sind rein beispielhaft vier solche Durchbrüche 40 gezeigt - sind entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeord- net und erstrecken sich jeweils entlang der axialen Richtung A. Die Durchbrüche 40 können als Durchgangsbohrungen realisiert sein, die mittels eines geeigneten Bohrwerkzeugs in die zweite Kunststoffmasse 11 b eingebracht werden. Die Durchbrüche 40 können in dem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse D je- weils die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Breitseiten 20 und mit zwei
Schmalseiten 21 aufweisen. Eine Länge der beiden Breitseiten 20 beträgt dabei wenigstens das Zweifache, vorzugsweise wenigstens das Vierfache, einer Länge der beiden Schmalseiten 21. Somit wird die vorteilhafte Geometrie eines Flach- rohrs nachgebildet.
Im Beispiel der Figur 3 sind die den Kühlkanal 10 bildenden Durchbrüche 40 bzgl. der radialen Richtung R radial außerhalb der Statorwicklungen 6 in der Kunst- stoffmasse 11 angeordnet. Der radiale Abstand des Kühlkanals 10 zur Rotations- achse D des Rotors 3 ist also größer als der Abstand der Statorwicklung 6 zur Ro- tationsachse D. Denkbar ist aber auch eine Anordnung der Kühlkanäle 10 radial innen. In dem in Figur 3 gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A erstrecken sich die beiden Breitseiten 20 der Durchbrüche 40 jeweils senkrecht zur radialen Richtung R.
Zur Herstellung einer elektrischen Maschine 1 gemäß den Figuren 1 bis 3 werden die die Zwischenräume 9 begrenzenden Oberflächen des Statorkörpers 7 mit dem zweiten Kunststoffmaterial, bevorzugt einem Thermoplasten, umspritzt und auf diese Weise die zweite Kunststoffmasse 11 b gebildet. Dabei wird das Material des Statorkörpers 7 zu dem jeweiligen Zwischenraum 9 hin elektrisch isoliert. Danach werden die Statorwicklungen 6 in die Zwischenräume 9 eingebracht und auf den Statorzähnen 8 angeordnet. Danach werden die Statorwicklungen 6 mit dem die erste Kunststoffmasse 11 a ergebenden, ersten Kunststoffmaterial, bevorzugt ei- nem Duroplasten, umspritzt. Im Zuge der Herstellung des elektrisch isolierenden Kunststoffs 11 , er sich aus den beiden Kunststoffmassen 11 a, 11 b zusammen- setzt, kann auch der Statorkörper 7 mit dem die erste Kunststoffmasse 11 a bil denden ersten Kunststoffmaterial umspritzt werden. Vorher oder danach können die den Kühlkanal 10 bildenden Durchbrüche 40 mit Hilfe eines geeigneten Bohr- werkzeugs in die zweite Kunststoffmasse 11 b eingebracht werden.
Die Figur 4 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 3. Bei der Maschine 1 ge- mäß Figur 4 ist der Kühlkanal 10 nicht in der ersten Kunststoffmasse 11 a, sondern im Statorkörper 7 des Stators 2 angeordnet. Wie Figur 4 erkennen lässt, sind die den Kühlkanal 10 bildenden Durchbrüche 40 radial außerhalb des Zwischenraums 9 und bzgl. der Umfangsrichtung U zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 8a, 8b im Statorkörper 7 angeordnet. In analoger Weise zum Beispiel der Figur 3 ist der Kühlkanal 10 durch Durchbrüche 40 gebildet, die aber bei der Variante gemäß Figur 4 im Statorkörper 7 - und nicht im Kunststoff 11 - angeordnet sind. Der Kühlkanal 10 kann, vorzugsweise im Zuge der Herstellung des Statorkörpers 7, durch Einbringen der Durchbrüche 40 - bevorzugt in Form von Bohrungen mit Hilfe eines geeigneten Bohrwerkzeugs - in den Statorkörper 7 bzw. in die den Stator- körper 7 bildenden Statorkörperplatten - gebildet werden.
Die Figur 5 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 4. Auch bei der Variante gemäß Figur 5 sind die den Kühlkanal 10 bildenden Durchbrüche 40 im Statorkör- per 7 des Stators 2 angeordnet. Im Beispiel der Figur 5 sind aber - im Gegensatz zur Variante der Figur 4 - die im Statorkörper 7 angeordneten Durchbrüche 40 zum Zwischenraum 9 hin offen ausgebildet. Wie Figur 5 erkennen lässt, werden die Durchbrüche 40 zum Zwischenraum 9 hin und von der im Zwischenraum 9 vorgesehenen zweiten Kunststoffmasse 11 b fluiddicht verschlossen.
Die Figur 6 zeigt eine Weiterbildung des Beispiels der Figur 5. Bei der Weiterbil- dung gemäß Figur 6 ist sowohl im Statorkörper 7 als auch in der ersten Kunst- stoffmasse 11 a ein Kühlkanal 10 ausgebildet. Der im Statorkörper 7 zusätzlich vorgesehene Kühlkanal 10 - im Folgenden auch als„radial äußerer Kühlkanal“
10a bezeichnet - ist in analoger Weise zum Beispiel der Figur 5 ausgebildet, so dass auf obige Erläuterungen zu Figur 5 verwiesen wird. Der in der ersten Kunst- stoffmasse 11 a angeordnete Kühlkanal 10 wird im Folgenden auch als„radial in- nerer Kühlkanal“ 10b bezeichnet. Bezüglich der radialen Richtung R ist die Statorwicklung 6 also zwischen den beiden Kühlkanälen 10a, 10b angeordnet.
Wie die Detaildarstellung der Figur 6 zeigt, kann der radial innere Kühlkanal 10b durch einen Rohrkörper 16, beispielsweise aus Aluminium, gebildet sein, der ei- nen Rohrkörperinnenraum 22 umgibt. Grundsätzlich kommt als Material für den Rohrkörper 16 bzw. den Kühlkanal 10, 10a ein elektrisch leitendes Material, ins- besondere ein Metall, oder ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere ein Kunststoff, in Betracht. Optional können, wie in der Detaildarstellung der Figur 6 gezeigt, am Rohrkörper 16 ein oder mehrere Trennelemente 18 ausgeformt sein, welche den Kühlkanal 10b in fluidisch voneinander getrennte Teilkühlkanäle 19 unterteilen. Auf diese Weise kann das Strömungsverhalten des Kühlmittels K im Kühlkanal 10b verbessert werden, womit ein verbesserter Wärmeübergang auf das Kühlmittel einhergeht. Außerdem wird der Rohrkörper 16 zusätzlich mecha- nisch ausgesteift. Im Beispiel der Figur 6 sind exemplarisch zwei solche Trenn- elemente 18 dargestellt, so dass sich drei Teilkühlkanäle 19 ergeben. Selbstre- dend ist in Varianten des Beispiels auch eine andere Anzahl an Trennelementen 18 möglich. Der Rohrkörper 16 kann als Flachrohr 17 ausgebildet sein, welches im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A zwei Breitseiten 20 und zwei Schmalseiten 21 aufweist. Eine Länge der beiden Breitseiten 20 beträgt in diesem Fall wenigstens das Vierfache, vorzugsweise wenigstens das Zehnfache, einer Länge der beiden Schmalseiten 21. Die Breitseiten 20 erstrecken sich senkrecht zur radialen Richtung R.
Die vorangehend diskutierten Varianten gemäß den Figuren 3 bis 6 können, so- weit sinnvoll, miteinander kombiniert werden.
Im Folgenden wird wieder auf die Figur 1 Bezug genommen. Wie die Figur 1 an- schaulich belegt, kann die vorzugsweise einstückig ausgebildete, erste Kunst- stoffmasse 11 a axial beidseitig aus den Zwischenräumen 9 herausragen. Dies er- laubt es, auch den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie, alternativ oder zusätzlich, den Kühlmittelsammlerraum 5 zur thermischen Ankopplung an die beiden axialen Endabschnitte 14a, 14b der jeweiligen Statorwicklung 6 in die erste Kunststoff- masse 11 a einzubetten, die axial außerhalb des jeweiligen Zwischenraum 9 ange- ordnet ist. Auf diese Weise kann auch im Bereich der üblicherweise thermisch be- sonders belasteten axialen Endabschnitte 14a, 14b der betreffenden Statorwick- lung 6 ein effektiver Wärmeübergang mit dem im Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. Kühlmittelsammlerraum 5 vorhandenen Kühlmittel K hergestellt werden. Diese Maßnahme erlaubt eine besonders effektive Kühlung der beiden axialen Endab- schnitte 14a, 14b der Statorwicklung 6.
Ferner ist gemäß Figur 1 der Stator 2 mit dem Statorkörper 7 und den Statorzäh- nen 8 axial zwischen einem ersten und einem zweiten Lagerschild 25a, 25b ange- ordnet.
Wie die Figur 1 erkennen lässt, ist ein Teil des Kühlmittelverteilerraums 4 in dem ersten Lagerschild 25a und ein Teil des Kühlmittelsammlerraums 5 in dem zweiten Lagerschild 25b angeordnet. Der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittel- sammlerraum 5 sind somit jeweils teilweise durch einen in der ersten Kunststoff- masse 11 a vorgesehenen Hohlraum 41 a, 41 b gebildet. Der erste Hohlraum 41 a wird dabei durch einen im ersten Lagerschild 25a ausge- bildeten 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. Bei der vorangehend erläu- terten Ausführungsvariante begrenzt die erste Kunststoffmasse 11 a - nicht aber die zweite Kunststoffmasse 11 b - den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kühl- mittelsammlerraum 5 also zumindest teilweise.
Im ersten Lagerschild 25a kann ferner eine Kühlmittelzuführung 35 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelverteilerraum 4 fluidisch mit einem außen, insbesonde- re wie in Figur 1 dargestellt umfangsseitig, am ersten Lagerschild 25a vorgesehe- nen Kühlmitteleinlass 33 verbindet. Im zweiten Lagerschild 25b kann entspre- chend eine Kühlmittelabführung 36 ausgebildet sein, welche den Kühlmittelsamm- lerraum 5 fluidisch mit einem außen, insbesondere wie in Figur 1 dargestellt um- fangsseitig, am Lagerschild 25b vorgesehenen Kühlmittelauslass 34 verbindet. Dies ermöglicht eine Anordnung des Kühlmittelverteilerraums 4 bzw. des Kühlmit- telsammlerraum 5 jeweils radial außen am ersten bzw. zweiten Endabschnitt 14a, 14b der betreffenden Statorwicklung 6 und auch in der Verlängerung dieser End- abschnitte 14a, 14b entlang der axialen Richtung A. Die im Betrieb der Maschine 1 thermisch besonders belasteten Endabschnitte 14a, 14b der Statorwicklungen 6 werden auch mittels dieser Maßnahme besonders effektiv gekühlt.
Gemäß Figur 1 kann die erste Kunststoffmasse 11 a aus dem elektrisch isolieren- den Kunststoff 11 auch auf einer Außenumfangsseite 30 des Statorkörpers 7 an- geordnet sein und somit auf der Außenumfangsseite 30 eine Kunststoffbeschich- tung 11.1 ausbilden. Somit kann der typischerweise aus elektrisch leitenden Statorplatten gebildete Statorkörper 7 des Stators 2 elektrisch gegen die Umge- bung isoliert werden. Die Bereitstellung eines separaten Gehäuses zur Aufnahme des Statorkörpers 7 kann somit entfallen. Die Figur 7 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 1. 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 an- geordnete, erste Wellenlager 32a gekoppelt sein. Ebenso kann die Kühlmittelab- führung 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 7 sind der Kühlmitteleinlass 33 und der Kühlmittel auslass 34 an der äußeren Stirnseite 26a, 26b des jeweiligen Lagerschilds 25a, 25b vorgesehen. Bei der Variante gemäß den Figuren 7 und 1 sind die Statorwick- lungen 6 entlang der radialen Richtung R radial innerhalb der Kühlkanäle 10 an- geordnet. 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 radial zwischen dem Kühlmittelverteilerraum 4 bzw. dem Kühlmittelsammlerraum 5 und der Drehachse D angeordnet.
Im Beispiel der Figur 8, welche eine gegenüber der Figur 7 vereinfachte Ausfüh- rungsform zeigt, sind der Kühlmittelverteilerraum 4 und der Kühlmittelsammler- raum 5 ausschließlich in der axialen Verlängerung der Kühlkanäle 10 angeordnet. Diese Variante benötigt für den Kühlmittelverteilerraum 4 und für den Kühlmittel- sammlerraum 5 besonders wenig Bauraum. Bei der Variante gemäß Figur 8 sind die Statorwicklungen 6 entlang der radialen Richtung R radial innerhalb der Kühl- kanäle 10 angeordnet. Die Statorwicklungen 6 sind mit einem elektrischen An- schluss 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 ra- dial außerhalb des Kühlmittelverteilerraums 4 bzw. des Kühlmittelsammlerraum 5 im zweiten Lagerschild 25b angeordnet. Im Beispiel der Figur 9 ist eine Weiterbildung der Figur 7 gezeigt. Bei dieser Wei- terbildung umgibt der Kühlmittelverteilerraum 4 in dem in Figur 9 dargestellten Längsschnitt entlang der Rotationsachse D den ersten axialen Endabschnitt 14a der jeweiligen Statorwicklung 6 U-förmig, also axial endseitig 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, also axial endseitig sowie radial innen und radial außen. Bei dieser Variante sind Kühlkanäle 10 sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb der Statorwicklung 6 vorgesehen. Somit sind die jeweili gen Statorwicklungen 6 einschließlich ihrer axialen Endabschnitte 14a, 14b über die Kühlkanäle 10 sowie den Kühlmittelverteilerraum 4 sowie den Kü hl mittel samm- lerraum 5 in direktem thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel K. Dies erlaubt eine besonders effektive Kühlung der Statorwicklung 6 einschließlich der thermisch be- sonderen Belastungen ausgesetzten axialen Endabschnitte 14a, 14b.
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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 ei- nem Stator (2), der Statorwicklungen (6) aufweist,
wobei der Stator (2) sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckende und entlang einer Umfangsrichtung (U) beabstandet zueinander angeordnete Statorzähne (8) besitzt, welche die Statorwicklungen (6) tragen,
mit einem Kühlmittelverteilerraum (4) und einem axial im Abstand zu diesem angeordneten Kühlmittelsammlerraum (5), wobei der Kühlmittelverteilerraum (4) zum Kühlen der Statorwicklungen (6) mittels wenigstens eines von einem Kühlmittel (K) durchströmbaren Kühlkanals (10) fluidisch mit dem Kühlmittel- sammlerraum (5) kommuniziert,
wobei zumindest eine Statorwicklung (6) zur thermischen Kopplung in einen elektrisch isolierenden Kunststoff (1 1 ) eingebettet ist,
wobei der elektrisch isolierende Kunststoff (1 1 ) mit der zumindest einen Statorwicklung (6) in zumindest einem Zwischenraum (9) angeordnet ist, der zwischen zwei in der Umfangsrichtung (U) benachbarten Statorzähnen (8) ausgebildet ist,
wobei der elektrisch isolierende Kunststoff (1 1 ) durch eine erste Kunststoff- masse (1 1a) aus einem ersten Kunststoffmaterial und durch eine zweite Kunststoffmasse (1 1 b) aus einem zweiten Kunststoffmaterial gebildet ist, wobei die wenigstens eine Statorwicklung (6), vorzugsweise alle Statorwick- lungen (6), zwei axiale Endabschnitte (14a, 14b) aufweist/aufweisen, auf wel- chen eine zusätzliche elektrisch isolierende Isolation angeordnet ist, so dass die axialen Endabschnitte (14a, 14b) jeweils weder den Kühlmittelverteilerraum (4) noch den Kühlmittelsammlerraum (5) unmittelbar begrenzen.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Kunststoffmasse (1 1 b) weder den Kühlmittelverteilerraum (4) noch den Kühlmittelsammlerraum (5) unmittelbar begrenzt.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die thermische Leitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials größer ist als die thermische Leitfähigkeit des zweiten Kunststoffmaterials.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die thermische Leitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials kleiner ist als die thermische Leitfähigkeit des zweiten Kunststoffmaterials.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die thermische Leitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials gleich der thermi- schen Leitfähigkeit des zweiten Kunststoffmaterials ist.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem zumindest einen Zwischenraum (9) zumindest eine Statorwicklung (6) in die erste Kunststoffmasse (11 a) aus dem ersten Kunststoffmaterial einge- bettet ist, die erste Kunststoffmasse (1 1 a) mit der darin eingebetteten Statorwicklung (6) zumindest teilweise von der zweite Kunststoff masse (1 1 b) aus dem zweiten Kunststoffmaterial umgeben, vorzugsweise in diese eingebettet, ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Statorwicklung (6), vorzugsweise alle Statorwicklungen (6), einschließlich ihrer jeweiligen beiden axialen Endabschnitte (14a, 14b) mittels der ersten Kunststoffmasse (1 1 a) auf wenigstens einem Statorzahn (8) fixiert ist.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste und/oder das zweite Kunststoffmaterial der ersten und/oder zweiten Kunststoffmasse einen Duroplasten umfassen oder ein Duroplast ist.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste und/oder das zweite Kunststoffmaterial der ersten und/oder zweiten Kunststoffmasse einen Thermoplasten umfassen oder ein Thermoplast ist.
10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Kunststoffmaterial einen Duroplasten umfasst oder ein Duroplast ist, und/oder dass
das zweite Kunststoffmaterial einen Thermoplasten umfasst oder ein Thermo- plast ist.
1 1. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kühlkanal (10, 10b) in dem elektrisch isolierenden Kunststoff (1 1 ) angeordnet ist.
12. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Kühlkanal (10) durch wenigstens einen, vorzugsweise durch mehrere, in dem elektrisch isolierenden Kunststoff (1 1 ), vorzugsweise in der zweiten Kunststoffmasse (11 b), vorgesehene(n) und von dem Kühlmittel (K) durchströmbaren Durchbruch/Durchbrüche (40) gebildet ist.
13. Elektrische Maschine nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Kunststoff masse (1 1 b) in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) zumindest einen Durchbruch (40), vorzugsweise jeweils alle Durchbrüche (40), zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, umgibt oder umhüllt.
14. Elektrische Maschine nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Durchbruch (40) in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) die Geometrie eines Rechtecks mit zwei Breitseiten (20) und zwei Schmalseiten (21 ) aufweist.
15. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Kühlkanal (10) von dem elektrisch isolierenden Kunststoff (1 1 ), vorzugsweise von der zweiten Kunststoffmasse (1 1 b), zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, umgeben oder umhüllt ist.
16. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder der Kühlmittelsammlerraum (5) zur thermischen Ankopplung an die Statorwicklungen (6) wenigstens teilweise in dem elektrisch isolierenden Kunststoff (1 1 ), vorzugsweise in der ersten Kunst- stoffmasse (1 1 a), angeordnet sind.
17. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
den Zwischenraum (9) begrenzende Oberflächenabschnitte des Stators (2) zumindest teilweise mit der zweiten Kunststoffmasse (1 1 b) beschichtet sind.
18. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und die zweite Kunststoffmasse (1 1 a, 1 1 b) zusammen den zumin- dest einen Zwischenraum (9) im Wesentlichen vollständig ausfüllen.
19. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und die zweite Kunststoffmasse (1 1 a, 1 1 b) jeweils durch eine Spritz gussmasse aus dem ersten bzw. zweiten Kunststoffmaterial gebildet sind.
20. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator (2) einen, vorzugsweise ringförmigen, Statorkörper (7) umfasst, die erste Kunststoffmasse (1 1 a) zumindest auf einer Außenumfangsseite (30) des Statorkörpers (7) angeordnet ist.
21. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kunststoffmasse (11a) auf der Außenumfangsseite (30) eine Außenbeschichtung (1 1.1 ) ausbildet.
22. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest die erste Kunststoffmasse (1 1 a) axial aus dem Zwischenraum (9) herausragt.
23. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Kunststoffmasse (1 1 a) den Kühlmittelverteilerraum (4) und/oder den Kühlmittelsammlerraum (5) zumindest teilweise begrenzt.
24. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in zumindest einem, vorzugsweise in jedem, Zwischenraum (9) zwischen zwei jeweils in Umfangsrichtung (U) benachbarten Statorzähnen (8a, 8b) zumindest ein Kühlkanal (10) und der elektrisch isolierende Kunststoff (1 1 ) vorgesehen sind.
25. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Kühlkanal (10) radial außerhalb oder radial innerhalb der jeweiligen Statorwicklung (6) im Zwischenraum (9) angeordnet ist, oder dass zumindest ein Kühlkanal (10) radial außerhalb und zumindest ein weiterer Kühlkanal (10) radial innerhalb der jeweiligen Statorwicklung (6) im Zwischen- raum (9) angeordnet ist.
26. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkanal (10) als Rohrkörper (16) ausgebildet ist, der ei- nen Rohrkörperinnenraum (22) umgibt,
wobei am Rohrkörper (16) wenigstens ein Trennelement (18) ausgeformt ist, welches den Rohrkörperinnenraum (22) in wenigstens zwei fluid isch voneinander getrennte Teilkühlkanäle (19) unterteilt.
27. Elektrische Maschine nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Rohrkörper (16) als Flachrohr (17) ausgebildet ist,
wobei sich in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) zumindest eine Breitseite (20) des Flachrohrs (17) im Wesentlichen senkrecht zur radialen Richtung (R) erstreckt.
28. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Kühlkanal (10, 10a) im Statorkörper (7) angeordnet und durch wenigstens einen von dem Kühlmittel (K) durchströmbaren Durchbruch (40) gebildet ist.
29. Elektrische Maschine nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Kühlkanal (10, 10a) bzgl. der Umfangsrichtung (U) im Bereich zwischen zwei benachbarten Statorzähnen (8, 8a, 8b) im Statorkörper (7) angeordnet ist.
30. Elektrische Maschine nach Anspruch 28 oder 29,
dadurch gekennzeichnet, dass
der den Kühlkanal (10) bildende und im Statorkörper (7) angeordnete Durchbruch (40) zum Zwischenraum (9) hin offen ausgebildet ist und von dem im Zwischenraum (9) angeordneten elektrisch isolierenden Kunststoff (11 ), vorzugsweise von der zweiten Kunststoffmasse (11 b), fluiddicht verschlossen ist.
31. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrisch isolierende Isolation zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, durch einen Isolationslack und/oder durch eine dritte Kunststoffmasse ist, die Teil des elektrisch isolierenden Kunststoffs (11 ) ist, gebildet ist.
32. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer elektrischen Ma- schine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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