WO2019154731A1 - Stator für drehfeldmaschine mit axialer wärmeableitung - Google Patents

Stator für drehfeldmaschine mit axialer wärmeableitung Download PDF

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WO2019154731A1
WO2019154731A1 PCT/EP2019/052507 EP2019052507W WO2019154731A1 WO 2019154731 A1 WO2019154731 A1 WO 2019154731A1 EP 2019052507 W EP2019052507 W EP 2019052507W WO 2019154731 A1 WO2019154731 A1 WO 2019154731A1
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heat
heat sink
rotor
induction machine
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PCT/EP2019/052507
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Thomas Leiber
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IPGATE Capital Holding AG
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    • H02K9/225—Heat pipes

Definitions

  • the present invention relates to a stator of a rotating field machine, wherein the stator carries a plurality of field windings.
  • Known induction machines or electric motors are generally designed as per-inner-respiratory motors or external-rotor motors. These are increasingly being used as the electric drive motor of two-wheeled vehicles, passenger cars, trucks, as well as propulsion-driven propulsion systems in the maritime sector and aviation.
  • Efficiency is the primary design factor, in particular for vehicles, ships and, more recently, electric aircraft powered by batteries or Li-ion batteries, since the efficiency primarily determines the size of the battery and thus the overall costs.
  • the costs of the electric motor must also be taken into account, so that a cost-efficient use of various materials is necessary and relevant.
  • the power density must be taken into account, which is why the use of permanent magnets is generally preferred.
  • single tooth technique as well as winding of single or double teeth is favored.
  • the exciter coil can be wound precisely, which increases the degree of copper filling in electric motors.
  • winding technology with a bending stator as described in EP 2179488 B1, is also used.
  • materials with high temperature resistance in particular permanent magnets with high remanence and at the same time high coercive force H Cj, are increasingly being used. This high temperature resistance leads to very high costs, since, for example, such permanent magnets have a high proportion of dysprosium.
  • stator laminations with very low losses (sheet thickness 0, 1-0.2 mm) or high degree of saturation (eg Co-iron sheets) are very expensive.
  • a double rotor with a very complex water cooling is realized.
  • the cooling channels are realized in a thermoset injection molding process and run between the excitation coils from the housing to the winding head and are deflected at the winding head.
  • Such cooling is extremely expensive and also not optimal, since winding space for copper coils is lost.
  • thermoset material can be used to improve the heat transfer from the winding head of the exciter coils to the housing.
  • thermoset injection molding primarily the strength must be taken into account, and thus, in the selection of the material, it is not only possible to emphasize the heat conduction properties.
  • the process with a material with simultaneously high strength and high thermal conductivity is very cost-intensive, since the complete stator only obtains its final stability and thermal conductivity in the Duroplastvergussclar.
  • the stator teeth must be fixed very solid during the casting process, as the thermoset injection molding process is performed with high injection pressures.
  • a high material input with very expensive fillers heat conductor, for example, boron nitride, strength-improving materials, such as carbon fiber or glass fiber
  • the concept of the double-rotor motor allows thermal conduction only in one direction, as a matter of principle.
  • stator teeth end pieces In order to optimize the electrical insulation of the stator teeth, usually plastic stator teeth end pieces are used, in which case the insulation of the middle region is provided by a thin Kapton film with an acceptable conductance (0.12-0.3 W / mK) and sufficient dielectric strength> 2 kV takes place. Due to the thinness of the Kapton film, however, more heat can be transferred via this heat path. The thin film reduces the heat path from the excitation coil to the stator and increases the degree of copper filling, since the thin-walled Kapton film allows more space for the copper coils in the winding window. However, this isolation technique is primarily used to improve the degree of copper filling of the electric motors.
  • the object of the invention is to improve the heat dissipation from the windings via the stator tooth or stator and to reduce the weight of the stator.
  • stator of ahabputrmo- sector whose stator carries a plurality of field windings and at least one heat conducting means for heat dissipation provided in the axial direction, wherein the heat conducting means at the end face of at least one excitation winding or on a surrounding the exciter winding potting compound or insulation is applied and Moreover, it communicates with a heat sink, in particular in the form of the stator carrier, heat sink or housing, for removing the heat.
  • heat conduction means which abut against the end face of the exciter windings, heat is advantageously also transported away from the excitation winding in the axial direction, whereby the heat dissipation is markedly improved and thus the induction machine equipped with the stator becomes more efficient.
  • the heat conducting means is subjected to force either by means of a spring against the exciter winding, in which case the spring is supported directly or via intermediate parts on the stator carrier, heat sink or housing, or else the electrically insulating heat conduction means by means of a Screw thread to the exciter coil can be pressed, in the latter case, for example, in a bore with internal thread of the stator, heat sink or housing can be screwed.
  • the heat-conducting agent, in particular the screw solution consists of two parts: (a) an insulating head preferably of boron nitride, silicon carbide or ceramic and (b) an aluminum support. Through the head piece is the electrical insulation, through the rest, the heat conduction.
  • the intermediate elements advantageously extend in the axial direction along the stator and can advantageously serve for heat removal in the axial direction out of the stator. They can also be made of a material other than the stator teeth, which in particular more easily and / or better conducts the heat than the material of the stator teeth.
  • the material of the intermediate elements has a thermal conductivity A2 of greater than iron (80 W / mk) with at least 150 W / mK (for example thermal conductivity of magnesium), in particular greater than 200 W / mK (thermal conductivity of aluminum). It is thus advantageously made of aluminum or magnesium or an alloy of these materials.
  • N / 2 tooth groups ZG i i ... N / 2
  • each stator tooth has in each case a pole core and a pole shoe integrally formed thereon.
  • the intermediate elements described above are arranged in this case between two adjacent groups of teeth.
  • stator teeth or tooth groups are connected to one another via webs, wherein the webs have a smaller cross-sectional area than the connection area between the two stator teeth which forms the magnetic return path.
  • the intermediate elements between the winding wires of the exciter, the stator teeth and the webs are on and on.
  • stator teeth or tooth groups to be arranged on or fastened to an inner ring, in which case the intermediate elements rest against the inner ring, the stator teeth and the excitation windings or an additional heat-conducting element arranged between them.
  • At least one further heat-conducting element which can in particular also be in contact with the intermediate element for heat transmission, to be arranged between the excitation coil and the stator tooth in the possible embodiments described above.
  • This additional heat-conducting element can be used in addition to the heat dissipation in the circumferential direction for the radial heat dissipation from the exciter coil, which is done radially inwardly towards the heat-dissipating intermediate element.
  • the additional heat-conducting element likewise extends in the axial direction of the stator and may advantageously be a shaped piece with a heat-conducting capacity of greater than 5 W / mK.
  • At least one heat-conducting means in particular in the form of a water channel of a water cooling or a heat pipe, can be arranged in or on the intermediate element, which extends in the axial direction of the stator and also for the removal of heat in the axial direction serves.
  • the heat conduction in the form of a heat pipe can also be in contact with an additional heat sink. If a water or fluid cooling is provided in the stator, the fluid flowing through the intermediate element will flow through or flow through the heat sink through or on the heat sink.
  • a heat pipe can be used as a classic heat pipe with a hermetically sealed volume filled with a working medium (eg, water or ammonia).
  • the space between the windings of the excitation coils in the winding grooves can be encapsulated by means of an additional potting compound, which in particular has a thermal conductivity of at least 0.25 W / mK.
  • the encapsulation takes place in such a way that air bubbles are no longer present between the coil wires of the windings, which also results in very good heat dissipation from the exciter coils out to the stator tooth and the axial heat-conducting elements or centers.
  • the stator according to the invention can also be designed in such a way that the stator teeth or groups of teeth are either pushed onto a stator inner ring in the axial direction, in particular by means of dovetail guides, or if a stator tooth engages radially in a recess of the inner ring and by means of a In cross-section wedge-shaped intermediate element is held in position.
  • stator and / or the inner ring or an additional support ring at least one, in particular in the axial direction parallel to the stator teeth extending channel for a water cooling and / or at least one heat pipe is arranged.
  • OT additional support ring
  • an induction machine with a stator described above is the subject of the invention and claimed.
  • the stator carrier can be arranged or fastened directly or via an intermediate part on a housing of the induction machine.
  • a heat sink can also be arranged on the stator carrier, in which case the heat pipe or the water cooling system transports heat toward the heat sink and delivers it via this to the housing or the surroundings.
  • an electronic module can be provided which is arranged in or on the housing of the induction machine and advantageously also in contact with the heat sink.
  • the housing of the rotary field machine can of course also be designed at least in part as a heat sink with a correspondingly large surface area for heat dissipation. It is also possible that only certain electronic components, such as the power electronics, emit their heat directly to the heat sink. It is of course also within the meaning of the invention, when the induction machine or the stator according to the invention has a plurality of heat sinks.
  • FIG. 1 shows an induction machine with a first possible embodiment of a stator according to the invention with heat conduction means axially adjacent to the exciter coils;
  • FIG. 2 shows another possible embodiment of heat conduction means axially against the exciter coils
  • FIG. 2a enlarged detail of FIG. 2; FIG.
  • FIG. 3 shows a part of the cross section through a first possible embodiment of an inner stator according to the invention with tooth groups connected by webs;
  • FIG. 4 shows a possible modification of the inner stator according to FIG. 3 with separately manufactured pole shoes, which is cast by means of a potting compound, whereby an additional optional inner ring with or without water cooling can be provided;
  • FIG. 5 further possible embodiment of an inner stator with inner ring and attached thereto stator teeth, with an additional optional inner ring may be provided with or without water cooling;
  • FIG. 6 shows another possible embodiment, wherein the stator teeth of a
  • Tooth group are integrally formed and a U-shaped yoke bil-, the yoke being secured by means of dovetail guides on an inner ring;
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view through an induction machine with outer rotor and inner stator, with a plurality of axial heat conduction paths
  • Fig. 8 Double pot rotary field machine with two réellestatoren with axial
  • FIG 9 shows an external stator according to the invention with an axial heat conducting means.
  • FIG. 1 shows an induction machine with a first possible embodiment of a stator S according to the invention with heat conduction means 22, 22a and 23a, 23a, 23b which are axially adjacent to the exciter coils.
  • the heat-conducting means 22, 22a consists of a heat-conducting annular plate 22a, which is fastened to a basic body 22 made, for example, of metal.
  • the heat conducting means consists only of a thermally conductive body 22 a, in which case can be dispensed with the base body 22.
  • the heat conducting means 22, 22a are pressed axially against the exciter winding 5.
  • the heat conducting means 23 can be provided, which is provided with an external thread 23a with which it can be screwed into the internal bore 13c of the stator carrier 13 and with its heat-conducting annular plate or plates 23b axially against the excitation winding 5 or whose insulation or potting material V is pressed.
  • the thread 23a can advantageously be applied to the exciter winding 5, a large pressure, so that the winding wires closely pressed together are, whereby a good heat transfer is feasible.
  • at least one heat-conducting means 22, 22a, 23, 23a, 23b can be provided in each case in the region of a stator tooth in the circumferential direction of the stator.
  • the field winding is wound up on a winding carrier 2, which simultaneously forms the electrical insulation and can optionally also be designed for heat transport from the field winding to the stator tooth 1 or further heat conducting means 11, 21, 31, 31 ' .
  • Possible embodiments of the winding carrier 2 and of the other possible heat conducting means 11, 21, 31, 31 ' for the improved heat transfer are illustrated in FIGS. 3 to 8 and described in more detail with reference thereto.
  • the stator support 13 is disposed on the inside of the housing G and fixed thereto.
  • the inner stator S is also surrounded by the cup-shaped rotor 16, which carries on its cylindrical inner wall a laminated magnetic yoke 14 and permanent magnets 10.
  • the bearing of the rotor in the housing G is not shown and can be formed arbitrarily.
  • FIG. 2 shows a further possible embodiment of heat-conducting means WI lying axially against the exciter coils.
  • the heat conduction WI is, as in the enlarged detail like.
  • Figure 2a in this case preferably a ring plate made of a very good heat conducting material, which preferably by means of a spring of good conductive material (eg aluminum, steel) 19, which is supported on the portion 13f of the stator 13, against the axial end face of the excitation winding 5 or whose potting compound V is pressed over a large area.
  • a spring of good conductive material eg aluminum, steel
  • FIG. 3 shows a part of the cross section through an inner stator S according to the invention of an external rotor according to a possible embodiment, arrows indicating the heat flow directions WF-Al, WF-A2.
  • two adjacent stator teeth 1 each form a tooth group ZG,.
  • a tooth group ZG thereby forms a substantially U-shaped yoke.
  • the tooth groups ZG are in each case connected to one another by webs ST extending in the axial direction AX.
  • the intermediate elements 21 have the task of increasing the cooling capacity and are thus advantageously made of a material with a good thermal conductivity. If the intermediate element 21 is made of an electrically conductive material, it must still be isolated separately towards the coil 5, which may be e.g. can be done by means of insulating material, insulators and / or additional heat-conducting elements. In addition, the weight of the inner stator S can be reduced by the intermediate elements 21. The heat conduction can also take place directly from the coil 5 to the intermediate element 21, provided an additional element with good thermal conductivity is arranged between the exciter coil 5 and the pole core 1b.
  • the advantage of these intermediate elements 21 is that a material with substantially more favorable thermal conductivities can be used here than the stator sheet located there in the standard case. This results in more parallel heat paths WF-Al and WF-A2, instead of only coil 5 towards the stator tooth 1 and from there to the housing of the induction machine.
  • Each stator tooth 1 consists of the pole core 1b and the molded pole piece 1a, the stator teeth 1 of a tooth group ZG being connected to one another by means of the magnetic return means 25.
  • the stator teeth 1 of a group of teeth can be formed by U-shaped stator laminations.
  • the coils 5 are by means of suitable insulation 2, 12 a of the stator teeth. 1 electrically insulated, wherein the insulation 2 and the heat conducting 12a for heat dissipation from the coils in the direction of WF-Al stator tooth 1 can serve.
  • the stator teeth 1 and magnetic conclusions 25 are made of a first, in particular ferromagnetic material MAI.
  • the intermediate elements 21 are made of a second, different material MA2, which in particular has a lighter and / or better conductance than the first material MAI.
  • the stator teeth of a group of teeth, together with their magnetic return element 25, form a U-shaped yoke, which forms part of the magnetic circuit MF.
  • the region 25 connecting the stator teeth 1 of a group of teeth ZG forms the magnetic inference and has a radial width B 2 which corresponds to the width Bi of the pole cores 1b.
  • the radial width B 3 of the webs ST is significantly smaller than the width B 2 , whereby the area thus freed between web ST and excitation coil 5 is used for the intermediate element 21.
  • the widths Bl and B2 are the same when a non-anisotropic material is used.
  • B2 is larger than Bl when an anisotropic magnetic preferred direction material is used in the pole core 1b.
  • the outer rotor can be equipped with permanent magnets by way of example.
  • a water cooling circuit WK and / or heat pipes HP can be integrated, which extend in the axial direction and are in communication with a heat exchanger or heat sink, which, for example. can be arranged axially adjacent to the inner stator S.
  • the heat pipes HP can also be characterized by highly thermally conductive mold elements, e.g. Copper or ceramic pins, be formed, by means of which the thermal conductivity properties are further improved compared to the non-ferromagnetic base material of the intermediate elements. By these pins, in particular the axial heat conduction is optimized, which is particularly important in the design of an external rotor motor for heat dissipation.
  • a heat pipe can also be used as a classic heat pipe with a hermetically sealed volume that is filled with a working medium (eg water or ammonia) are used.
  • a working medium eg water or ammonia
  • the heat dissipation by more than a factor of 100, especially factor 1000 can be further improved than when using solid pegs such. B. copper.
  • the pole pieces 1 a required for a sinusoidal design of the magnetic flux are manufactured separately and fitted with the exciter coils 5 after the pole cores 1 b have been fitted the stator core lb put on.
  • individual coils 5 with corresponding optimized layer design in ideal winding technology can be developed.
  • These can be carried out on bobbins 2, which are then pushed radially or as exciting coils 5 without bobbin success- gene, which are placed on the previously overmolded or insulated stator core lb.
  • the pole shoes 1a are pressed or glued on. If the stator is encapsulated after winding (casting compound V), no particularly high demands are placed on the press connection or adhesive bond, since the pole piece 1a is stabilized by the casting method.
  • This embodiment therefore makes sense in order to optimize the degree of copper filling in which the coils corresponding to the winding form can be pushed one after the other onto the one stator without pole shoes, first the excitation coil being adapted with (n + x) layers or to the winding geometry Wedge shape on every other stator core lb pushed and then the excitation coils with (n) layers on every other adjacent yoke tooth, so that when pushed the excitation coils are not touched.
  • the stator core 1b is already provided with insulation prior to sliding, as shown in FIGS. 4 to 7.
  • the coil can also be wound onto a winding body and pushed with the winding body onto the tooth
  • the U-shaped yokes 1b, 25 are formed integrally with the webs ST, which connect the individual tooth groups ZG to one another.
  • Bi, B 2 and B 3 as described in Figure 1.
  • an inner ring OT for reinforcing and / or cooling the stator S, which lies radially on the inside of the tooth groups ZGi and the webs ST, in particular over the entire surface, in such a way that good heat transfer can take place.
  • active cooling by means of a fluid, such as a water cooling WK, or a passive cooling by means not shown He-pips HP done.
  • the heat can be done via the cooling WK towards a, for example, axially adjacent to the stator arranged heat sink, as shown for example in Figure 7, or towards the stator support 13 or the housing G.
  • FIG. 5 shows a further possible embodiment of the multi-part inner stator S.
  • the individual stator teeth 1 are arranged with their ends 1f on an inner stator inner ring R or, for example, connected by means of a dovetail guide lg.
  • two adjacently arranged stator teeth each form a tooth group ZG, between the stator teeth of a tooth group ZG, in each case a magnetic return means 35 is arranged, via which the magnetic circuit MF of the respective group of teeth is closed.
  • the stator inner ring R is made of a ferromagnetic material, a part of the magnetic flux can also flow via the stator inner ring R.
  • the magnetic return means 35 may be a laminated core with anisotropic preferred direction in the flow direction.
  • the widths Bi and B 2 should be the same size.
  • the water cooling WK or heat pipe HP arranged in the intermediate elements 31, 31 ' runs in the axial direction through the inner stator S and forms the heat path WF-B.
  • An intermediate element 31, 31 ' which serves as a heat-conducting element, is disposed between the U-yokes, which in each case form a tooth group ZG.
  • This embodiment offers over the embodiments of Figures 1 and 2, the ability to previously isolate the individual teeth 1 and to wind.
  • the stator insulation technique with heat-conducting properties of the embodiments of FIGS. 7a to 10 can be used, and the excitation coils are filled with a maximum degree of filling with optionally uneven loading.
  • the number of turns of adjacent teeth is preferably different for degree of filling optimization, but requires that the adjacent teeth are connected in series.
  • the coils can be wound differently with the same copper round wire, for example, a coil 3-ply, the adjacent coil 4-ply or with different geometric shapes.
  • the stator inner ring R can be designed as a laminated core or as a heat conductor. If it is designed as a ferromagnetic conductor, this can be used to optimize the thickness B 2 or the design of the magnetic return means 35. It is also possible to adapt the contour in the region of the heat-conducting element 31, since this area is only slightly for heat conduction.
  • stator cores 1b it is also possible for the stator cores 1b to be inserted into a radial recess Ra of the stator inner ring R only with a projection 1h.
  • the intermediate elements 31 are wedge-shaped and are held in position in the radial direction by the coils 5, the filling material F, etc. The wedge shape turn the
  • Statorzähne 1 firmly held on the stator inner ring R.
  • an additional inner ring OT may be provided, which is preferably made of aluminum for the purpose of improved axial heat conduction, gives the inner stator even more stability, and optionally also channels for a water cooling system.
  • WK may have, wherein the channels for the water cooling WK extend in the axial direction through the inner stator S and form a heat path WF-Bl, through which the heat is dissipated in the axial direction.
  • the width Bi of the stator tooth 1 and the thickness B 2 of the magnetic inferences 25, 35 must be dimensioned such that the magnetic flux is not hindered.
  • Anisotropic material with different preferred magnetic direction can be used for flux guidance. If the U-shaped yokes 1b, 25 are internally connected to a ring R, then this ring R or inner region can also contribute a little to the magnetic flux, but has primarily the Purpose to increase the stability of the inner stator S and can be formed very thin-walled, so that B 3, for example, less than 3 mm can be performed. Of course, this depends on the size of the turning machine. The lower limit of the thickness B 3 is determined by an economical manufacturing process as well as stiffness requirements.
  • useful intermediate elements 21, 31, 31 ' as heat flow guide elements with integrated heat pipes HP or water cooling circuits WK or pins or materials with very high thermal conductivity, eg copper or ceramic pins or shaped elements, carbon nanotubes, can then be used in the vacated surface etc., are provided, which extend in the axial direction of the stator S. As already described, these intermediate elements can be used to optimize weight for efficient axial cooling. The arrangement of these intermediate elements 21, 31, 31 ' also takes place in a region which can not be used for the copper coils and thus contributes to a heat optimization of the stator.
  • the described structure of the inner stator S can be provided before winding with the excitation coils 5 in advance with an insulation 2 for the excitation coils 5, with the insulation 2 in particular an injection molding process in thermoplastic or thermoset method offers.
  • the intermediate elements 21 can already be inserted before the injection process, whereby an optimal thermal transition between stator / coil and intermediate element 21, 31 can be achieved most easily. It is also possible to arrange additional heat-conducting elements 28 between intermediate element 21, 31 and exciter coil 5.
  • FIG. 6 shows a further possible embodiment of an inner stator S according to the invention, in which the U-shaped yokes, which pass through the
  • Statorzähne 1 and the interconnecting magnetic yokes 25 are formed, are attached by means of dovetail guides lg on the inner ring R and are inserted in the axial direction thereto on the ring R in its corresponding recesses.
  • dovetail guides lg on the inner ring R and are inserted in the axial direction thereto on the ring R in its corresponding recesses.
  • FIG. 7 shows a longitudinal section through a rotary field machine according to the invention with several possible cooling paths WF-B, WF-Bl and WF-C.
  • the cooling path WF-B is formed by a water cooling WK or a heat pipe and arranged in an intermediate element 21, 31, 31 ' , as shown and described in Figures 1 to 4.
  • the heat path WF-Bl can be formed by a water cooling WK, which extends through the inner ring R, OT of the inner stator S, as shown in FIG.
  • a heat sink or heat exchanger KK is arranged, which delivers the heat dissipated via the water cooling or heat pipes to the environment or heat sink.
  • a further cooling or heat removal path WF-C results from the frontal contact of the potting compound V with the stator carrier 13, which also bears against the cooling body KK over a large area.
  • the cup-shaped rotor 16 is preferably produced by deep-drawing and fixed to the shaft RW, which in turn is supported on the stator support 13 via the bearings 40.
  • the rotor has a laminated outer stator 14 and permanent magnets 10 arranged thereon.
  • a sensor target STA Arranged on the front side of the rotor shaft RW is a sensor target STA whose rotation is detected by a sensor SE, which is arranged in the housing of the ECU.
  • the power electronics 41 are arranged on the housing wall of the ECU so that their heat is dissipated directly to the cooling body KK. Via the connection 26 and the line 25, the excitation coils 5 are connected to the ECU.
  • FIG. 8 shows a double-pot rotary field machine with two inner stators S with standard stators without intermediate elements with axial heat dissipation via the heat path WF-C at the winding head and WF-Bl in the stator carrier by means of the heat-conducting means IW, 22 and 23 described in FIGS. additional water cooling WK via the water ducts arranged in the stator carrier and stator.
  • the previously described heat pipes HP can be used in this induction machine.
  • WF-B axial cooling via intermediate elements in the stator
  • two alternatives of winding head cooling are shown. The left stator is released on the front side only a small distance to Statorträ- ger 13 and potting, while on the right stator, the heat sink IW and optionally not shown variants of the heat conducting means 22 and 23 are used.
  • the heat dissipation of the stator is thus almost exclusively axially to the left and right front side.
  • the ECU is used above and parallel to the electric motor. This results in an optimal heat distribution, because the ECU is not heated by the stator and thus the heat sink of the ECU, the housing (G) of the engine and the outside area can be used.
  • the rotor 16 of this double-head lathe consists of 2 ferromagnetic deep-drawn parts 16, a driver 44 connected to the shaft, to which the deep-drawn parts are preferably connected via welded joints.
  • the shaft is supported by two widely spaced bearings in the stator supports 13, whereby the stator is very stiff and can be loaded at high speed.
  • Pieces of permanent magnets are mounted on the inside of the rotors 16. The denomination is used to minimize the magnetic losses.
  • the rotor is also bandaged with a glass or carbon fiber band and thus designed for high loads.
  • the rotor has 2 air gaps. Although this double air gap leads to a deterioration of the magnetic circuit, but has a relieving effect on the rotor, since the rotor is loaded not only on one side of the stator radially with force F Ri , but also has a force vector F Ra in the direction return plate package.
  • the radial force acting on the rotor can be reduced and also a thin-walled rotor can be loaded with very high speeds.
  • the centrifugal force acting through the speed can be well balanced, so that the radial load of the rotor is optimized at the design point of the nominal power.
  • a bandage supports the rotor made of a heavy-duty thin-walled glass carbon fiber tape at maximum power, ie very high speeds, where in turn the centrifugal forces dominate.
  • the engine can be designed to be very stable over the entire load spectrum (nominal power, maximum power).
  • the external rotor motor also experiences no one-sided load and is much stiffer and thus suitable as a power engine with very high speeds, especially as a traction motor of electric cars with very high performance.
  • each stator has a 3-phase or 6-phase contact.
  • a 6-phase contact consists of two phase strings each.
  • a double redundancy can be achieved because in case of failure of 3-phase of a page still half the torque is available.
  • With a 2x 6-phase design about 75% of the torque is still available in the event of a failure of a 3-phase line. This meets the requirements of autonomous vehicles with only one electric drive motor.
  • FIG. 9 shows a possible embodiment of an external stator with axial heat conducting means.
  • the heat-conducting means as shown and described in FIGS. 1 and 2, can additionally be used.
  • the outer yoke stator S shown in FIG. 9 has stator teeth 1, with two adjacent stator teeth 1 each forming a tooth group ZG.
  • a tooth group ZG is substantially U-shaped in cross-section, wherein the individual tooth groups ZG can be held in place by means of intermediate elements 11 at a distance or from one another and / or can be connected to one another.
  • the intermediate elements 11 have the task to increase the cooling capacity and are thus advantageously made of a material with good thermal conductivity. If the intermediate element 11 is made of an electrically conductive material, then it must still be isolated to the coil 5 separately, which can be done for example by means of the element 12b. In addition, the weight can be reduced by the intermediate element 11. The heat conduction can also take place directly from the coil 5 to the intermediate element 11, provided that the element 12b has a good thermal conductivity.
  • the advantage of these intermediate elements 11 is that a material with much more favorable thermal conductivities can be used here than the stator sheet located there in the standard case. It he- Thus, further parallel heat paths S and ST, instead of merely from coil 5 to the stator tooth 1 and from there to the housing of the rotary field machine, are obtained.
  • Each stator tooth 1 stands in this case from the pole core 1b and the molded-on pole shoe 1a, the stator teeth 1 of a tooth group ZG being connected to one another by means of the magnetic return means 15.
  • the stator teeth 1 of a group of teeth can be formed by U-shaped stator laminations.
  • the coils 5 are electrically insulated from the stator teeth 1 by means of suitable insulation 2, 12a, it being possible for the insulation 2 or the heat conducting means 12a to serve for the heat removal from the coils in the direction of the stator tooth 1.
  • the stator teeth 1 and magnetic conclusions 15 are made of a first, in particular ferromagnetic material MAI.
  • the intermediate elements 11 are made of a second, different material MA2, which in particular has a lighter and / or better conductance than the first material MAI.
  • the stator teeth of a group of teeth together with their magnetic return element 15 form a U-shaped yoke, which forms part of the magnetic circuit MF.
  • the inner rotor 9 is equipped with permanent magnets 10 by way of example.
  • the intermediate elements 11 may optionally form channels for a water cooling circuit WK or be equipped with integrated heat pipes HP.
  • the hepatic pipes HP can also be formed by highly thermally conductive mold elements, e.g. Copper pins, be formed. By these pins, in particular the axial heat conduction is optimized, which can be used advantageously in the design of an internal rotor motor for heat distribution.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (S) eines Außenläufermotors, wobei der Stator (S) mehrere Erregerwicklungen (5) trägt und mindestens ein Wärmeleitmittel (22, 23, WI) zur Wärmeabfuhr in axialer Richtung vorgesehen ist, wobei das Wärmeleitmittel (22, 23, WI) an der Stirnseite (5s) mindestens einer Erregerwicklung (5) oder an einer die Erregerwicklung (5) umgebenden Vergussmasse (V) oder Isolierung anliegt und zudem mit einer Wärmesenke (13a, 13f), insbesondere in Form des Statorträgers (13), Kühlkörpers (KK) und/oder Gehäuses (G), zum Abtransport der Wärme in Verbindung ist.

Description

Stator für Drehfeldmaschine mit axialer Wärmeableitung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator einer Drehfeldmaschine, wobei der Stator mehrere Erregerwicklungen trägt.
Stand der Technik:
Bekannte Drehfeldmaschinen bzw. Elektromotoren sind in der Regel als per- manenterregte Innen- oder Außenläufermotoren ausgeführt. Diese werden zunehmend als elektrischer Antriebsmotor von Zweiradfahrzeugen, Personen- kraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), sowie in mittels Propeller angetrie- benen Antriebssystemen im maritimen Bereich und der Luftfahrt eingesetzt. Effizienz ist insbesondere bei mittels Batterien bzw. Li-Ionen-Batterie ange- triebenen Fahrzeugen, Schiffen und auch neuerdings Elektroflugzeuge die pri- märe Auslegungsgröße, da durch die Effizienz die Größe der Batterie und somit die Gesamtkosten primär bestimmt werden. In der Gesamtbetrachtung sind jedoch auch die Kosten des E-Motors zu beachten, wodurch ein kosteneffizien- ter Einsatz von verschiedensten Materialien notwendig und relevant ist. Im Luftfahrtbereich, insbesondere bei elektrisch angetriebenen Flugzeugen ist ne- ben der Effizienz zudem die Leistungsdichte zu beachten, weshalb der Einsatz von Permanentmagneten im Allgemeinen bevorzugt wird.
Um eine hohe Effizienz und Leistungsdichte zu erreichen, werden neben dem Einsatz von Permanentmagneten diverse Maßnahmen zur Reduzierung der Verluste vorgenommen. Unterschieden werden Kupferverluste in den Spulen, die Eisenverluste in allen eisenhaltigen und magnetkreisrelevanten Motorkom- ponenten und die Reibungsverluste in den Lagern.
Um Kupferverluste zu reduzieren, wird die Einzelzahntechnik sowie Wickelung von Einzelzähnen bzw. Doppelzähnen favorisiert. Mit der Einzelzahnwickel- technik kann die Erregerspule präzise gewickelt werden, wodurch der Kupfer- füllgrad bei Elektromotoren erhöht wird. Bei Außenläufern wird neben Einzel- zahntechnik auch Wickeltechnik mit Biegestator, wie in EP 2179488 Bl be- schrieben, eingesetzt.
Um Eisenverluste zu reduzieren, werden geblechte Statoren mit geringer Blechdicke, insbesondere Si-Fe-Bleche mit Blechdicken <= 0,3 mm sowie ge- blechte Rotoren bzw. optional zur Reduzierung der Wirbelstromverluste auch gestückelte Permanentmagnete eingesetzt. Zudem werden zunehmend Mate- rialien mit hoher Temperaturbeständigkeit, insbesondere Permanentmagnete mit hoher Remanenz und gleichzeitig hoher Koerzitivfeldstärke HCj eingesetzt. Diese hohe Temperaturbeständigkeit führt zu sehr hohen Kosten, da z.B. der- artige Permanentmagnete einen hohen Dysprosium-Anteil aufweisen. Zudem sind Statorbleche mit sehr geringen Verlusten (Blechdicke 0, 1-0,2 mm) oder hohem Sättigungsgrad (z.B. Co-Eisen-Bleche) sehr teuer.
Aus dem Stand der Technik sind jedoch wenige Ansätze bekannt, wie die Leis- tung des Motors durch sehr effiziente Wärmeleitung zur Erhöhung der Wärme- abfuhr des Motors gesteigert werden kann.
In WO 2010/099974 ist zum Beispiel ein Doppelrotor mit einer sehr aufwändi- gen Wasserkühlung realisiert. Die Kühlkanäle werden in einem Duroplast- Spritzgießprozess realisiert und verlaufen zwischen den Erregerspulen vom Gehäuse zum Wickelkopf und sind am Wickelkopf umgelenkt. Eine derartige Kühlung ist extrem kostenintensiv und zudem nicht optimal, da Wickelraum für Kupferspulen verloren geht.
Ein anderer Ansatz zur Wärmeleitung ist in W02010/099975 realisiert. Bei die- sem Doppelrotormotor wird der Stator mit einem Duroplastmaterial mit guten Wärmeleiteigenschaften umspritzt. Gleichzeitig muss bei der Auswahl des Duroplastmaterials Wert auf Steifigkeit gelegt werden, da die Umspritzung des Stators im wesentlich zur Stabilität des freitragenden Stators im Betrieb bei- trägt. Weiter ist in W02010/099975 offenbart, dass durch den Verguss und die guten Wärmeleiteigenschaften des Duroplastmaterials der Wärmeübergang vom Wickelkopf der Erregerspulen zum Gehäuse verbessert werden kann.
Die in W02010/099975 offenbarte Lösung hat jedoch einige Schwächen. Zum einem muss beim Duroplast-Spritzguss primär die Festigkeit beachtet werden und somit kann bei der Auswahl des Materials nicht ausschließlich auf die Wärmeleiteigenschaften Wert gelegt werden. Zudem ist das Verfahren mit ei- nem Material mit zugleich hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit sehr kostenintensiv, da der komplette Stator erst im Duroplastvergussverfahren seine finale Stabilität und Wärmeleitfähigkeit erhält. Die Statorzähne müssen während des Gussverfahrens sehr solide fixiert werden, da beim Duroplast- Spritzguss mit hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Zudem ist ein hoher Materialeinsatz mit sehr teuren Füllstoffen (Wärmeleiter z.B. Bor-Nitrid, festig- keitsverbessernde Materialen wie z.B. Kohlefaser oder Glasfaser) erforderlich. Zuletzt erlaubt das Konzept des Doppelrotormotors eine Wärmeleitung prin- zipbedingt nur in eine Richtung.
Zur Optimierung der elektrischen Isolierung der Statorzähne werden üblicher- weise Statorzahnendstücke aus Kunststoff verwendet, wobei dann die Isolati- on des Mittelbereichs durch eine dünne Kapton-Folie mit akzeptablem Leitwert (0,12-0,3 W/mK) und ausreichender Durchschlagfestigkeit > 2 kV erfolgt. Durch die Dünnwandigkeit der Kapton-Folie kann jedoch über diesen Wärme- pfad mehr Wärme übertragen werden. Durch die dünne Folie wird die Wärme- strecke von Erregerspule zum Stator hin reduziert sowie der Kupferfüllgrad erhöht, da die dünnwandige Kapton-Folie mehr Raum für die Kupferspulen im Wickelfenster zulässt. Diese Isolationstechnik wird jedoch in erster Linie einge- setzt, um den Kupferfüllgrad der Elektromotoren zu verbessern. Eine verbes- serte Kühlleistung resultiert daraus nicht, da üblicherweise die Spule nicht an der Kapton-Folie anliegt und somit sich ein gewisser Luftspalt zwischen der heißen Spule und der wärmeabführenden Kapton-Folie und der Erregerspule befindet, was bedingt ist durch die fehlende Präzision in der Wickeltechnik. Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Wärmeabfuhr von den Wicklungen über den Statorzahn bzw. Stator zu verbessern und das Gewicht des Stators zu reduzie- ren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Stator eines Außenläufermo- tors gelöst, dessen Stator mehrere Erregerwicklungen trägt und mindestens ein Wärmeleitmittel zu Wärmeabfuhr in axialer Richtung vorgesehen aufweist, wobei das Wärmeleitmittel an der Stirnseite mindestens einer Erregerwicklung oder an einer die Erregerwicklung umgebenden Vergussmasse oder Isolierung anliegt und zudem mit einer Wärmesenke, insbesondere in Form des Stator- trägers, Kühlkörpers oder Gehäuses, zum Abtransport der Wärme in Verbin- dung ist.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von Wärmeleitmitteln, welche an der Stirnseite der Erregerwicklungen anliegen, wird vorteilhaft auch in axialer Richtung von der Erregerwicklung Wärme abtransportiert, wodurch die Wär- meableitung deutlich verbessert wird und damit die mit dem Stator ausgestat- tete Drehfeldmaschine leistungsfähiger wird.
Aufgrund der Maximalgrenze des Betriebes bestimmter Werkstoffe, wie z.B. Kupferspulen mit einer typischen Maximaltemperatur von 180°C, ist die ma ximale Dauerleistung eines Elektromotors durch die Temperatur der Wärme- senke und der Temperaturdifferenz in der Erregerspule begrenzt. Wird der thermische Leitwert zwischen Spule und Wärmesenke halbiert, führt dies zu einer Leistungssteigerung um ca. Faktor 1,5 bis 2. Daher ist die effiziente Wärmeabfuhr von besonderer Bedeutung.
Es ist zudem von Vorteil, wenn das Wärmeleitmittel entweder mittels einer Feder gegen die Erregerwicklung kraftbeaufschlagt ist, wobei sich in diesem Fall z.B. die Feder unmittelbar oder über Zwischenteile an dem Statorträger, Kühlkörper oder Gehäuse abstützt, oder aber das elektrisch isolierende Wär- meleitmittel mittels eines Schraubgewindes an die Erregerspule anpressbar ist, wobei es im letzteren Fall z.B. in eine Bohrung mit Innengewinde des Stator- trägers, Kühlkörpers oder Gehäuses einschraubbar ist. Das Wärmeleitmittel, insbesondere der Schraublösung, besteht aus zwei Teilen : (a) einem isolieren- den Kopfstück vorzugsweise aus Bor-Nitrid, Silizium-Carbid oder Keramik und (b) einem Träger aus Aluminium. Durch das Kopfstück erfolgt die elektrische Isolation, durch den Rest die Wärmeleitung.
Zusätzlich zu den axial an den Erregerspulen anliegenden und in axialer Rich- tung Wärme abführenden Wärmeleitmitteln können noch zwischen den
Statorzähnen oder durch zwei Statorzähne gebildeten Zahngruppen, welche insbesondere U-förmige Joche bilden, noch Zwischenelemente angeordnet sein. Diese können lediglich zwischen den Statorzähne bzw. Zahngruppen ein- gelegt sein oder aber auch zur Verbindung dieser dienen. So können diese Zwischenelemente insbesondere dort angeordnet sein, wo kein oder kein we sentlicher magnetischer Fluss fließt, so dass sie diesen nicht nachteilig behin- dern. Aus diesem Grund können die Zwischenelemente auch aus einem ande- ren Material gefertigt sein als die Statorzähne bzw. die den magnetischen Rückschluss zwischen den Statorzähnen bildenden Bereiche bzw. Teile.
Die Zwischenelemente erstrecken sich dabei vorteilhaft in axialer Richtung entlang des Stators und können vorteilhaft zur Wärmeabfuhr in axialer Rich- tung aus dem Stator heraus dienen. Sie können auch aus einem anderen Ma- terial als die Statorzähne gefertigt sein, welche insbesondere leichter und/oder besser die Wärme leitet als das Material der Statorzähne. Vorteilhaft hat das Material der Zwischenelemente eine Wärmeleitfähigkeit A2 von größer als Ei- sen (80 W/mk) mit mindestens 150 W/mK (z.B. Wärmeleitwert von Magnesi- um), insbesondere größer 200 W/mK (Wärmeleitwert von Aluminium). Es ist somit vorteilhaft aus Aluminium oder Magnesium oder einer Legierung von diesen Materialien hergestellt.
Der erfindungsgemäße Stator weist vorteilhaft eine Anzahl von N Statorzähnen auf, die zusammen eine Anzahl von N/2 Zahngruppen ZGi=i...N/2 bilden, und jeder Statorzahn jeweils einen Polkern und einen daran angeformten Polschuh aufweist. Dabei bilden jeweils zwei unmittelbar benachbart angeordnete Statorzähne eine Zahngruppe ZG,, welche mit einem magnetischen Rück- schlussmittel, welches zwischen den beiden Statorzähnen der Zahngruppe an- geordnet oder mit diesen einstückig ausgebildet ist, Bestandteil eines Magnet- kreises sind. Die oben beschriebenen Zwischenelemente sind in diesem Falle zwischen zwei benachbarten Zahngruppen angeordnet.
Ebenso ist es möglich, dass die Statorzähne bzw. Zahngruppen über Stege miteinander verbunden sind, wobei die Stege eine geringere Querschnittsflä- che aufweisen, als die den magnetischen Rückschluss bildenden Verbindungs- bereich zwischen zwei Statorzähnen. Bei einer derartigen Ausführungsform liegen die Zwischenelemente zwischen den Wicklungsdrähten der Erregerspu- len, den Statorzähnen und den Stegen ein und an diesen an. Ebenso ist es möglich, dass die Statorzähne bzw. Zahngruppen an einem Innenring ange- ordnet bzw. an diesem befestigt sind, wobei dann die Zwischenelemente an dem Innenring, den Statorzähnen und den Erregerwicklungen bzw. einem da- zwischen angeordnetem zusätzlichen Wärmeleitelement anliegen.
Ebenso ist es möglich, dass bei den zuvor beschriebenen möglichen Ausfüh- rungsformen zusätzlich zwischen Erregerspule und Statorzahn mindestens ein weiteres Wärmeleitelement angeordnet ist, welches insbesondere auch mit dem Zwischenelement zur Wärmeübertragung in Kontakt sein kann. Dieses zusätzliche Wärmeleitelement kann neben der Wärmeableitung in Umfangs- richtung auch zur radialen Wärmeabfuhr von der Erregerspule dienen, wobei dies radial nach innen hin zum wärmeabführenden Zwischenelement erfolgt. Das zusätzliche Wärmeleitelement erstreckt sich dabei ebenfalls in axialer Richtung des Stators und kann vorteilhaft ein Formstück mit einer Wärmeleit- fähigkeit von größer 5 W/mK sein.
Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen kann im oder am Zwischen- element mindestens ein Wärmeleitmittel, insbesondere in Form eines Wasser- kanals einer Wasserkühlung oder einer Heat-Pipe, angeordnet sein, welches sich in axialer Richtung des Stators erstreckt und ebenfalls zum Abtransport von Wärme in axialer Richtung dient. Das Wärmeleitmittel in Form einer Heat- Pipe kann auch mit einem zusätzlichen Kühlkörper in Kontakt sein. Sofern im Stator eine Wasser- bzw. Fluidkühlung vorgesehen ist, wird das das Zwischen- element durchströmende Fluid durch oder am Kühlkörper zur Wärmeabgabe an diesen durch- bzw. entlangströmen. Alternativ kann auch ein Heat-Pipe als ein klassisches Wärmerohr mit einem hermetisch gekapselten Volumen, das mit einem Arbeitsmedium (z.B. Wasser oder Ammoniak) gefüllt ist, eingesetzt werden. Durch Heat-Pipes kann die Wärmeabfuhr um mehr als Faktor 100, insbesondere Faktor 1000 noch weiter verbessert werden als beim Einsatz von Feststoffstiften wie z.B. Kupfer.
Zusätzlich kann bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen der Raum zwi- schen den Wicklungen der Erregerspulen in den Wicklungsnuten mittels einer zusätzlichen Vergussmasse, welche insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,25 W/mK aufweist, vergossen sein. Der Verguss erfolgt insbe- sondere vorteilhaft derart, dass keine Lufteinschlüsse mehr zwischen den Spu- lendrähten der Wicklungen vorhanden sind, wodurch sich ebenfalls eine sehr gute Wärmeableitung aus den Erregerspulen heraus hin zum Statorzahn und den axialen Wärmeleitelementen bzw. -mittein ergibt.
Der erfindungsgemäße Stator kann auch derart ausgebildet sein, dass die Statorzähne bzw. die Zahngruppen entweder in axialer Richtung auf einen Statorinnenring aufgeschoben sind, insbesondere mittels Schwalbenschwanz- führungen an diesem gehalten sind, oder dass ein Statorzahn radial in eine Ausnehmung des Innenrings eingreift und mittels eines im Querschnitt keil- förmigen Zwischenelementes in Position gehalten ist.
Auch ist es möglich, dass im oder am Statorträger und/oder dem Innenring oder einem zusätzlichen Stützring (OT) mindestens ein, sich insbesondere in axialer Richtung parallel zu den Statorzähnen erstreckender Kanal für eine Wasserkühlung und/oder mindestens eine Heat-Pipe angeordnet ist. Hierdurch kann die Wärmeabfuhr in axialer Richtung zusätzlich noch erhöht und damit die Leistungsfähigkeit der Drehfeldmaschine erhöht werden.
Es ist selbstverständlich, dass auch eine Drehfeldmaschine mit einem zuvor beschriebenen Stator Erfindungsgegenstand ist und beansprucht wird. Dabei kann der Statorträger unmittelbar oder über ein Zwischenteil an einem Gehäu- se der Drehfeldmaschine angeordnet oder befestigt sein. Zusätzlich kann auch noch ein Kühlkörper am Statorträger angeordnet sein, wobei dann die Heat- Pipe oder die Wasserkühlung Wärme hin zum Kühlkörper transportiert und über diesen an das Gehäuse oder die Umgebung abgibt. Auch kann bei einer erfindungsgemäßen Drehfeldmaschine ein Elektronikmodul vorgesehen sein, welches im oder am Gehäuse der Drehfeldmaschine angeordnet ist, und vor- teilhaft auch in Kontakt mit dem Kühlkörper ist. Das Gehäuse der Drehfeldma- schine kann selbstverständlich auch zumindest zum Teil als Kühlkörper mit entsprechend großer Oberfläche zur Wärmeabgabe ausgebildet sein. Auch ist es möglich, dass nur bestimmte Elektronikkomponenten, wie z.B. die Leis- tungselektronik, unmittelbar ihre Wärme an den Kühlkörper abgeben. Es ist selbstverständlich ebenso im Sinne der Erfindung, wenn die Drehfeldmaschine bzw. der erfindungsgemäße Stator mehrere Kühlkörper aufweist.
Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen mehrere mögliche Ausführungs- formen des erfindungsgemäßen Stators sowie möglicher Drehfeldmaschinen erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 : Eine Drehfeldmaschine mit einer ersten möglichen Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Stators mit axial an den Erreger- spulen anliegenden Wärmeleitmitteln;
Fig. 2: weitere mögliche Ausgestaltung axial an den Erregerspulen anlie- gender Wärmeleitmittel;
Fig. 2a : Ausschnittsvergrößerung von Figur 2;
Fig. 3: einen Teil des Querschnitts durch eine erste mögliche Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Innenstators mit mittels Stegen verbundener Zahngruppen;
Fig. 4: mögliche Abwandlung des Innenstators gemäß Figur 3 mit separat gefertigten Polschuhen, welcher mittels einer Vergussmasse ver- gossen ist, wobei ein zusätzlicher optionaler Innenring mit oder ohne Wasserkühlung vorgesehen sein kann;
Fig. 5: weitere mögliche Ausgestaltung eines Innenstators mit Innenring und daran befestigter Statorzähne, wobei auch hier ein zusätzlicher optionaler Innenring mit oder ohne Wasserkühlung vorgesehen sein kann;
Fig. 6: weitere mögliche Ausführungsform, wobei die Statorzähne einer
Zahngruppe einteilig ausgebildet sind und ein U-förmiges Joch bil- den, wobei das Joch mittels Schwalbenschwanzführungen an einem Innenring befestigt sind;
Fig. 7: Querschnittsdarstellung durch eine Drehfeldmaschine mit Außen- läufer und Innenstator, mit mehreren axialen Wärmeleitpfaden;
Fig. 8: Doppeltopfdrehfeldmaschine mit zwei Innenstatoren mit axialer
Wärmeabfuhr;
Fig. 9: erfindungsgemäßer Außenstator mit axialem Wärmeleitmittel.
Die Figur 1 zeigt eine Drehfeldmaschine mit einer ersten möglichen Ausfüh- rungsform eines erfindungsgemäßen Stators S mit axial an den Erregerspulen anliegenden Wärmeleitmitteln 22, 22a und 23a, 23a, 23b. Das Wärmeleitmit- tel 22, 22a besteht dabei aus einer wärmeleitenden Ringplatte 22a, welche an einem z.B. aus Metall gefertigten Grundkörper 22 befestigt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass das Wärmeleitmittel lediglich aus einem wärmeleitenden Körper 22a besteht, wobei dann auf den Grundkörper 22 verzichtet werden kann. Mittels einer Feder 21, welche zusammen mit dem Wärmeleitmittel bzw. dessen Grundkörper 22 in einer Ausnehmung 13d, insbesondere in Form eines Sackloches, des Statorträgers 13 einliegt und sich an dessen Boden abstützt, wird das Wärmeleitmittel 22, 22a axial gegen die Erregerwicklung 5 gedrückt. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmeleitmittel 23 vorgesehen werden, welches mit einem Außengewinde 23a versehen ist, mit dem es in die Innen- bohrung mit Innengewinde 13c des Statorträgers 13 einschraubbar und mit seiner wärmeleitenden Ringplatte bzw. Platten 23b axial gegen die Erreger- wicklung 5 bzw. deren Isolierung oder Vergußmaterial V andrückbar ist. Mittels des Gewindes 23a kann vorteilhaft ein großer Druck auf die Erregerwicklung 5 aufgebracht werden, so dass deren Wicklungsdrähte eng aneinanderdrückbar sind, wodurch ein guter Wärmeübergang realisierbar ist. Es versteht sich von selbst, dass in Umfangsrichtung des Stators jeweils im Bereich eines Stator- zahns jeweils mindestens ein Wärmeleitmittels 22, 22a, 23, 23a, 23b vorgese- hen werden kann. Die Erregerwicklung ist auf einem Wicklungsträger 2 aufge- wickelt, welcher gleichzeitig die elektrische Isolierung bildet und optional auch zum Wärmetransport von der Erregerwicklung hin zum Statorzahn 1 oder wei- terer Wärmeleitmittel 11, 21, 31, 31 ' ausgebildet sein kann. Mögliche Ausbil- dungen des Wicklungsträgers 2 sowie der weiteren möglichen Wärmeleitmittel 11, 21, 31, 31 ' für den verbesserten Wärmetransport sind in den Figuren 3 bis 8 dargestellt und anhand dieser näher beschrieben.
Der Statorträger 13 ist an der Innenseite des Gehäuses G angeordnet und an diesem befestigt. Der Innenstator S wird zudem von dem topfförmigen Rotor 16 umfasst, welcher an seiner zylindrischen Innenwandung einen geblechten magnetischen Rückschluss 14 sowie Permanentmagnete 10 trägt. Die Lage- rung des Rotors im Gehäuses G ist nicht dargestellt und kann beliebig ausge- bildet werden.
Die Figur 2 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung axial an den Erreger- spulen anliegender Wärmeleitmittel WI. Das Wärmeleitmittel WI ist, wie in der Ausschnittsvergrößerung gern. Figur 2a, dabei bevorzugt eine Ringplatte aus einem sehr gut wärmeleitenden Material, welches vorzugsweise mittels einer Feder aus gut leitfähigen Material (z.B. Aluminium, Stahl) 19, die sich an dem Bereich 13f des Statorträgers 13 abstützt, gegen die axiale Stirnseite der Er- regerwicklung 5 bzw. deren Vergussmasse V großflächig gedrückt wird.
Auf die Feder kann, wie in Figur 2 dargestellt, auch verzichtet werden. In die- sem Fall werden entsprechend der Wickelgüte entsprechende keilförmige Plat- ten mit einem Radius, z.B. zwei Halbschalen in den Bereich zwischen Wickel- kopf und Statorträger eingeschoben und nachher vergossen. Diese Scheiben können auch in der Dicke angepasst werden, z.B. für die Güte der Wickelung bzw. unterschiedlich geometrische Dicken für unterschiedliche Windungszahlen eines Motors aufweisen. Damit kann der Abstand minimiert werden und der Wärmeübergang optimiert werden. Zwingend ist in diesem Fall ein Verguss des Stators mit den Wärmeleitmitteln WI und dem Bereich 13f des Statorträ- gers. Auch ist ein geringfügiges Anpressen der Wickelung damit möglich, da das Wärmeleitmittel isolierend ist und somit keinen Durchschlag verursacht. Dabei kann in Umfangsrichtung wieder jeweils pro Statorzahn jeweils mindes- tens ein Wärmeleitmittel WI vorgesehen sein. Ansonsten ist der übrige Aufbau der Drehfeldmaschine dem der in Figur 1 dargestellten Drehfeldmaschine sehr ähnlich.
Die Figur 3 zeigt einen Teil des Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Innenstator S eines Außenläufers gemäß einer möglichen Ausführungsform, wobei mittels Pfeilen die Wärmeflussrichtungen WF-Al, WF-A2 angezeigt sind.
Bei dem Innenstator S bilden jeweils zwei benachbarte Statorzähne 1 jeweils eine Zahngruppe ZG,. Eine Zahngruppe ZG, bildet dabei ein im Wesentlichen U-förmiges Joch. Die Zahngruppen ZG, sind dabei jeweils mittels sich in axialer Richtung AX erstreckender Stege ST miteinander verbunden.
Die Zwischenelemente 21 haben die Aufgabe, die Kühlleistung zu erhöhen und sind somit vorteilhafterweise aus einem Material mit gutem thermischen Leit- wert. Ist das Zwischenelement 21 aus einem elektrisch leitfähigen Material, so muss es hin zur Spule 5 noch separat isoliert werden, was z.B. mittels Isolati- onsmaterial, Isolatoren und/oder zusätzlicher Wärmeleitelemente erfolgen kann. Durch die Zwischenelemente 21 kann zudem das Gewicht des Innensta- tors S reduziert werden. Auch kann die Wärmeleitung direkt von der Spule 5 hin zum Zwischenelement 21 erfolgen, sofern ein zusätzliches Element mit guter thermischer Leitfähigkeit zwischen Erregerspule 5 und Polkern lb ange- ordnet ist. Vorteil dieser Zwischenelemente 21 ist, dass hier ein Material mit wesentlich günstigeren thermischen Leitwerten eingesetzt werden kann, als das sich im Standardfall dort befindliche Statorblech. Es ergeben sich somit weitere parallele Wärmepfade WF-Al und WF-A2, statt lediglich von Spule 5 hin zum Statorzahn 1 und von dort aus zum Gehäuse der Drehfeldmaschine.
Jeder Statorzahn 1 besteht dabei aus dem Polkern lb und dem angeformten Polschuh la, wobei die Statorzähne 1 einer Zahngruppe ZG, mittels dem mag- netischen Rückschlussmittel 25 miteinander verbunden sind. Die Statorzähne 1 einer Zahngruppe können dabei durch U-förmige Statorbleche gebildet sein. Die Spulen 5 sind mittels geeigneter Isolation 2, 12a von den Statorzähnen 1 elektrisch isoliert, wobei die Isolation 2 bzw. die Wärmeleitmittel 12a zum Wärmeabtransport von den Spulen in Richtung WF-Al Statorzahn 1 dienen können.
Die Statorzähne 1 und magnetischen Rückschlüsse 25 sind aus einem ersten, insbesondere ferromagnetischen Material MAI gefertigt. Die Zwischenelemen- te 21 sind aus einem zweiten anderen Material MA2 gefertigt, welches insbe- sondere leichter und/oder einen besseren Leitwert als das erste Material MAI aufweist. Die Statorzähne einer Zahngruppe bilden zusammen mit ihrem mag- netischen Rückschlusselement 25 ein u-förmiges Joch, welche einen Teil des Magnetkreises MF bildet. Der die Statorzähne 1 einer Zahngruppe ZG, mitei- nander verbindende Bereich 25 bildet den magnetischen Rückschluss und weist eine radiale Breite B2 auf, welche der Breite Bi der Polkerne lb ent- spricht. Die radiale Breite B3 der Stege ST ist gegenüber der Breite B2 wesent- lich kleiner, wobei der hierdurch freigewordene Bereich zwischen Steg ST und Erregerspule 5 für das Zwischenelement 21 genutzt wird. Die Breite Bl und B2 sind gleich, wenn ein nicht anisotropes Material eingesetzt wird. B2 ist größer als Bl, wenn ein anisotropes Material mit magnetischer Vorzugsrichtung im Polkern lb eingesetzt wird.
Der nicht dargestellte Außenrotor kann beispielhaft mit Permanentmagneten bestückt sein.
In die Zwischenelemente 21 kann entweder ein Wasserkühlkreislauf WK und/oder Heat-Pipes HP integriert sein, welche sich in axialer Richtung erstre- cken und mit einem Wärmetauscher bzw. Kühlkörper in Verbindung sind, die z.B. axial neben dem Innenstator S angeordnet sein können. Die Heat-Pipes HP können auch durch sehr gut wärmeleitende Formelemente, z.B. Kupfer- oder Keramikstifte, gebildet sein, mittels derer die Wärmleiteigenschaften wei- ter gegenüber dem nicht-ferromagnetischen Grundmaterial der Zwischenele- mente verbessert werden. Durch diese Stifte wird insbesondere die axiale Wärmeleitung optimiert, was in der Ausgestaltung eines Außenläufermotors zur Wärmeabfuhr besonders wichtig ist.
Alternativ kann auch ein Heat-Pipe als ein klassisches Wärmerohr mit einem hermetisch gekapselten Volumen, das mit einem Arbeitsmedium (z.B. Wasser oder Ammoniak) gefüllt ist, eingesetzt werden. Durch Heat-Pipes kann die Wärmeabfuhr um mehr als Faktor 100, insbesondere Faktor 1000 noch weiter verbessert werden als beim Einsatz von Feststoffstiften wie z. B. Kupfer.
In der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform werden, im Gegensatz zur in Figur 1 dargestellten und beschriebenen Ausführungsform, die Polschuhe la, die für eine sinusförmige Gestaltung des magnetischen Flusses erforderlich sind, separat gefertigt und nach Bestückung der Polkerne lb mit den Erreger- spulen 5 auf den Statorkern lb aufgesetzt. Damit können Einzelspulen 5 mit entsprechenden optimierter Lagengestaltung in idealer Wickeltechnik vorgewi- ckelt werden. Hier ist es sogar möglich, formgenau Spulen mit mehr als zwei Spulenlagen vorzusehen. Diese können auf Spulenträgern 2 erfolgen, die dann radial aufgeschoben werden bzw. als Erregerspulen 5 ohne Wickelkörper erfol- gen, die auf den vorher umspritzten oder isolierten Statorkern lb aufgesetzt werden. Nach der Bestückung werden die Polschuhe la aufgepresst oder auf- geklebt. Wird der Stator nach Bewicklung vergossen (Vergussmasse V), sind nicht besonders hohe Anforderungen an die Pressverbindung oder Klebverbin- dung zu stellen, da der Polschuh la durch das Vergussverfahren stabilisiert wird .
Diese Ausführungsform ist daher sinnvoll, um den Kupferfüllgrad zu optimie- ren, in dem die Spulen entsprechend der Wickelform nacheinander auf den einen Stator ohne Polschuhe aufgeschoben werden können, wobei zuerst die Erregerspule mit (n+x)-Lagen bzw. an die Wickelgeometrie angepasste Keil- form auf jeden zweiten Statorkern lb aufgeschoben und dann die Erregerspu- len mit (n)-Lagen auf jeden zweiten benachbarten Jochzahn, so dass beim Aufschieben die Erregerspulen nicht berührt werden. Zudem ist der Statorkern lb vor dem Aufschieben bereits mit einer Isolation versehen, wie in Figuren 4 bis 7 ausgeführt. Alternativ kann die Spule auch auf einen Wickelkörper gewi- ckelt sein und mit dem Wickelkörper auf den Zahn geschoben werden
Die U-förmigen Joche lb, 25 sind bei dieser Ausführungsform einstückig mit den Stegen ST ausgebildet, die die einzelnen Zahngruppen ZG, miteinander verbinden. Auch hier gelten die gleichen Bedingungen für Bi, B2 und B3, wie sie in Figur 1 beschrieben sind . Zusätzlich kann noch ein Innenring OT zur Verstärkung und/oder zur Kühlung des Stators S eingesetzt bzw. angeordnet werden, welcher radial innen an den Zahngruppen ZGi und den Stegen ST, insbesondere vollflächig anliegt, derart, dass ein guter Wärmeübergang erfolgen kann. Optional kann noch in diesem zusätzlichen Ring OT eine aktive Kühlung mittels eines Fluids, wie z.B. einer Wasserkühlung WK, oder eine passive Kühlung mittels nicht dargestellter He- at-Pips HP erfolgen. Die Wärme kann dabei über die Kühlung WK hin zu einem z.B. axial neben dem Stator angeordneten Kühlkörper, wie er z.B. in Figur 7 dargestellt ist, oder hin zum Statorträger 13 oder dem Gehäuse G erfolgen.
Die Figur 5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform des mehrteiligen Innenstators S. Bei dieser Ausführungsform sind die einzelnen Statorzähne 1 mit ihren Enden lf an einem inneren Statorinnenring R angeordnet bzw. z.B. mittels einer Schwalbenschanzführung lg verbunden. Auch bei dieser Ausfüh- rungsform bilden jeweils zwei benachbart angeordnete Statorzähne jeweils eine Zahngruppe ZG,. Dabei ist zwischen den Statorzähnen einer Zahngruppe ZG, jeweils ein magnetisches Rückschlussmittel 35 angeordnet, über das der Magnetkreis MF der jeweiligen Zahngruppe geschlossen wird. Sofern der Sta- torinnenring R aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, kann auch ein Teil des Magnetflusses über den Statorinnenring R fließen. Vorzugsweise kann das magnetische Rückschlussmittel 35 ein Blechpaket mit anisotroper Vorzugsrichtung in Flussrichtung sein. Vorzugsweise sollten die Breiten Bi und B2 gleich groß sein.
Die in den Zwischenelementen 31, 31 'angeordnete Wasserkühlung WK bzw. Heat-Pipe HP verläuft in axialer Richtung durch den Innenstator S und bildet den Wärmepfad WF-B.
Zwischen den U-Jochen, welche jeweils eine Zahngruppe ZG, bilden, ist wiede- rum ein Zwischenelement 31, 31 ' angeordnet, welches als Wärmeleitelement dient. Diese Ausführungsform bietet gegenüber den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 die Möglichkeit, die Einzelzähne 1 vorher zu isolieren und zu bewickeln. Dabei kann die Statorisolationstechnik mit Wärmeleiteigenschaften der Ausführungsformen von Figur 7a bis Figur 10 angewendet werden und die Erregerspulen mit einem maximalen Füllgrad mit optional ungleicher Bewicke- lung der Nachbarzähne ausgeführt werden. Die Windungszahl benachbarter Zähne ist vorzugsweise zur Füllgradoptimierung unterschiedlich, setzt jedoch voraus, dass die benachbarten Zähne in Reihe verschaltet sind. So können die Spulen mit gleichem Kupferrunddraht unterschiedlich gewickelt werden, z.B. eine Spule 3-lagig, die benachbarte Spule 4-lagig bzw. mit unterschiedlichen geometrischen Formen.
Der Statorinnenring R kann als Blechpaket bzw. als Wärmeleiter ausgeführt werden. Wird er als ferromagnetischer Leiter ausgeführt, kann dies zur Opti- mierung der Dicke B2 bzw. der Gestaltung des magnetischen Rückschlussmit- tels 35 dienen. Auch ist eine Anpassung der Kontur im Bereich des Wärmelei- telementes 31 möglich, da dieser Bereich nur geringfügig zur Wärmeleitung beträgt.
Es ist insbesondere auch möglich, dass die Statorkerne lb lediglich mit einem Vorsprung lh in eine radiale Ausnehmung Ra des Statorinnenrings R einge- setzt werden. In diesem Fall werden die Zwischenelemente 31 keilförmig aus- gebildet und werden in radialer Richtung durch die Spulen 5, das Füllmaterial F, etc. in Position gehalten. Durch die Keilform werden wiederum die
Statorzähne 1 fest am Statorinnenring R gehalten.
Optional kann bei dem in Figur 3 dargestellten Innenstator S noch ein zusätzli- cher Innenring OT vorgesehen werden, der vorzugsweise im Sinne der verbes- serten axialen Wärmeleitung aus Aluminium hergestellt ist, dem Innenstator noch mehr Stabilität gibt und optional auch noch Kanäle für eine Wasserküh- lung WK aufweisen kann, wobei sich die Kanäle für die Wasserkühlung WK in axialer Richtung durch den Innenstator S erstrecken und einen Wärmepfad WF-Bl bilden, über den die Wärme in axialer Richtung abgeführt wird.
Für die vorbeschriebenen Ausführungsformen gilt, dass die Breite Bi des Statorzahns 1 sowie die Dicke B2 der magnetischen Rückschlüsse 25, 35 so dimensioniert sein müssen, dass der magnetische Fluss nicht behindert wird. Für die Flussführung kann anisotropes Material mit unterschiedlicher magneti- scher Vorzugsrichtung eingesetzt werden. Sind die U-förmigen Joche lb, 25 innen mit einem Ring R verbunden, so kann dieser Ring R bzw. Innenbereich auch ein wenig zum magnetischen Fluss beitragen, hat jedoch primär den Zweck zur Erhöhung der Stabilität des Innenstators S und kann sehr dünn- wandig ausgebildet werden, so dass B3 z.B. auch kleiner <3 mm ausgeführt werden kann. Dies hängt selbstverständlich jeweils von der Größe der Dreh- feldmaschine ab. Die Untergrenze der Dicke B3 wird durch ein wirtschaftliches Fertigungsverfahren sowie durch Steifigkeitsanforderungen bestimmt. Wird der Stator S vergossen, sind die Anforderungen an die Festigkeit gering, sodass die Dicke B3 minimiert werden kann. Wie bereits ausgeführt, können in der freigewordenen Fläche dann sinnvoll Zwischenelemente 21, 31, 31 ' als Wär- meflussleitelemente mit integrierten Heat-Pipes HP oder Wasserkühlkreise WK bzw. Stifte oder Stoffe mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupfer oder Keramikstifte bzw. Formelemente, Kohlenstoffnanoröhren etc., vorgesehen werden, die sich in axialer Richtung des Stators S erstrecken. Diese Zwischen- elemente können, wie bereits beschrieben, zur effizienten axialen Kühlung ge- wichtsoptimiert eingesetzt werden. Die Anordnung dieser Zwischenelemente 21, 31, 31 ' erfolgt zudem in einem Bereich, der für die Kupferspulen nicht genutzt werden kann und trägt somit zu einer Wärmeoptimierung des Stators bei.
Der beschriebene Aufbau des Innenstators S kann vor Bewickelung mit den Erregerspulen 5 vorab mit einer Isolation 2 für die Erregerspulen 5 versehen werden, wobei sich zur Isolation 2 insbesondere ein Spritzgussprozess im Thermoplast- oder Duroplastverfahren anbietet. Bei einem derartigen Prozess können die Zwischenelemente 21 vor dem Spritzprozess bereits eingelegt werden, wodurch sich ein optimaler thermischer Übergang zwischen Sta- tor/Spule und Zwischenelement 21, 31 am einfachsten erzielen lässt. Auch ist es möglich, zusätzliche Wärmeleitelemente 28 zwischen Zwischenelement 21, 31 und Erregerspule 5 anzuordnen.
Die Figur 6 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsge- mäßen Innenstators S, bei dem die U-förmigen Joche, welche durch die
Statorzähne 1 und die sie miteinander verbindenden magnetischen Rück- schlüsse 25 gebildet sind, mittels Schwalbenschwanzführungen lg an dem In- nenring R befestigt sind bzw. in axialer Richtung hierzu auf den Ring R in des- sen korrespondierenden Ausnehmungen eingeschoben werden. Beispielhaft ist hier dargestellt, dass in einem Zwischenelement 21 auch mehr als eine Heat- Pipe HP angeordnet werden kann, wodurch der Wärmeabtransport in axialer Richtung deutlich erhöht werden kann.
Die Figur 7 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Drehfeld- maschine mit mehreren möglichen Kühlungspfaden WF-B, WF-Bl und WF-C. Der Kühlungspfad WF-B ist durch eine Wasserkühlung WK oder eine Heat-Pipe gebildet und in einem Zwischenelement 21, 31, 31 'angeordnet, wie es in den Figuren 1 bis 4 dargestellt und beschrieben ist. Der Wärmepfad WF-Bl kann durch eine Wasserkühlung WK gebildet sein, welche sich durch den inneren Ring R, OT des Innenstators S erstreckt, wie es in der Figur 6 dargestellt ist. Zwischen der ECU und dem Innenstator S ist ein Kühlkörper bzw. Wärmetau- scher KK angeordnet, der die über die Wasserkühlung bzw. Heat-Pipes abge- führte Wärme an die Umgebung bzw. Wärmesenke abgibt. Ein weiterer Küh- lungs- bzw. Wärmeabführungspfad WF-C ergibt sich durch das stirnseitige An- liegen der Vergussmasse V an den Statorträger 13, welcher ebenfalls an dem Kühlkörper KK großflächig anliegt. Der topfförmige Rotor 16 ist vorzugsweise im Tiefziehverfahren hergestellt und an der Welle RW befestigt, welche ihrer- seits über die Lager 40 am Statorträger 13 abgestützt ist. Der Rotor weist ei- nen geblechten Außenstator 14 sowie daran angeordnete Permanentmagnete 10 auf. An der Stirnseite der Rotorwelle RW ist ein Sensortarget STA angeord- net, dessen Drehung von einem Sensor SE, welcher im Gehäuse der ECU an- geordnet ist, detektiert wird. Die Leistungselektronik 41 ist so an der Gehäu- sewandung der ECU angeordnet, dass ihre Wärme direkt zum Kühlkörper KK abgeleitet wird. Über den Anschluss 26 und die Leitung 25 sind die Erreger- spulen 5 mit der ECU verbunden.
Die Figur 8 zeigt eine Doppeltopfdrehfeldmaschine mit zwei Innenstatoren S mit Standardstatoren ohne Zwischenelemente mit axialer Wärmeabfuhr über den Wärmepfad WF-C am Wickelkopf und WF-Bl im Statorträger mittels der in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Wärmeleitmittel IW, 22 und 23, sowie zu- sätzlicher Wasserkühlung WK über die im Statorträger und Stator angeordne- ten Wasserkanäle. Selbstverständlich können auch die zuvor beschriebenen Heat-Pipes HP bei dieser Drehfeldmaschine verwendet werden. Sowie eine axiale Kühlung über Zwischenelemente im Stator (WF-B). Zudem sind zwei Alternativen der Wickelkopfkühlung dargestellt. Der linke Stator wird an der Stirnseite nur über einen geringen Abstand zum Statorträ- ger 13 sowie Verguss gelöst, während auf dem rechten Stator die Wärmeleit- mittel IW sowie optional die nicht gezeichneten Varianten der Wärmeleitmittel 22 und 23 eingesetzt werden.
Die Wärmeabfuhr des Stators erfolgt somit fast ausschließlich axial an die lin- ke und rechte Stirnseite. Für einen optimierten Wärmehaushalt wird die ECU oberhalb und parallel zum E-Motor eingesetzt. Dadurch ergibt sich eine opti- male Wärmeverteilung, weil die ECU nicht durch den Stator erwärmt wird und somit als Wärmesenke der ECU das Gehäuse (G) des Motors sowie der Außen- bereich genutzt werden kann.
Der Rotor 16 dieser Doppeltopfdrehmaschine besteht aus 2 ferromagnetischen Tiefziehteilen 16, einem mit der Welle verbundenen Mitnehmer 44, mit dem die Tiefziehteile vorzugsweise über Schweißverbindungen verbunden sind. Die Welle wird über 2 weit auseinander stehende Lagerungen in den Statorträgern 13 abgestützt, wodurch der Stator sehr steif wird und mit hoher Drehzahl be- lastet werden kann. An der Innenseite der Rotoren 16 sind gestückelte Perma- nentmagnete angebracht. Die Stückelung wird eingesetzt, um die Magnetver- luste zu minimieren. Der Rotor ist zudem mit einem Glas- oder Kohlefaserband bandagiert und somit für hohe Belastungen ausgelegt.
Der Rückschluss des Magnetkreises erfolgt über ein im Gehäuse G befestigtes Statorrückschlußpaket 42. Damit weist der Rotor 2 Luftspalte auf. Dieser dop- pelte Luftspalt führt zwar zu einer Verschlechterung des Magnetkreises, wirkt sich jedoch entlastend auf den Rotor aus, da der Rotor nicht nur einseitig vom Stator radial mit Kraft FRi belastet ist, sondern auch einen Kraftvektor FRa in Richtung Rückschlussblechpaket hat. Damit kann die auf den Rotor wirkende Radialkraft reduziert werden und auch ein dünnwandiger Rotor mit sehr hohen Drehzahlen belastet werden. Die durch die Drehzahl wirkende Fliehkraft kann gut bilanziert werden, so dass im Auslegungspunkt der Nominalleistung die Radialbelastung des Rotors optimiert wird. Zudem unterstützt eine Bandage des Rotors aus einem hochbelastbarem dünnwandigen Glas- Kohlefaserband bei Maximalleistung, d.h. sehr hohen Drehzahlen, wo wiederum die Fliehkräfte dominieren. Somit kann über das gesamte Lastkollektiv (Nominalleistung, Ma- ximalleistung) der Motor sehr stabil ausgelegt werden.
Im Vergleich zur Ausführung in Figur 7 erfährt der Außenläufermotor auch keine einseitige Belastung und ist wesentlich steifer und somit geeignet als Leistungsmotor mit sehr hohen Drehzahlen, insbesondere als Traktionsmotor von Elektroautos mit sehr hoher Leistung.
Zusätzlich weist jeder Stator eine 3-Phasen oder 6-Phasen-Kontaktierung auf. Eine 6-Phasenkontaktierung besteht aus jeweils zwei Phasensträngen. Damit kann eine zweifache Redundanz erzielt werden, weil bei Ausfall von 3-Phasen einer Seite noch das halbe Drehmoment zur Verfügung steht. Bei einer 2x 6- Phasen-Gestaltung ist bei Ausfall von einem 3-Phasen-Strang noch ca. 75% des Drehmomentes zur Verfügung. Dies erfüllt die Anforderungen von auto- nomen Fahrzeugen mit nur einem elektrischen Antriebsmotor.
Die Figur 9 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Außenstator mit axia- lem Wärmeleitmittel. Auch bei dieser Ausführungsform können die Wärme- leitmittel, wie sie in den Figuren 1 und 2 dargestellt und beschrieben sind, zu- sätzlich eingesetzt werden. Der in Figur 9 dargestellte Außenjochstator S weist Statorzähne 1 auf, wobei jeweils zwei benachbarte Statorzähne 1 jeweils eine Zahngruppe ZG, bilden. Ein Zahngruppe ZG ist dabei im Querschnitt im Wesentlichen U-förmig, wobei die einzelnen Zahngruppen ZG, mittels Zwi- schenelemente 11 auf Abstand bzw. zueinander in Position gehalten und/oder miteinander verbunden sein können bzw. sind.
Die Zwischenelemente 11 haben die Aufgabe, die Kühlleistung zu erhöhen und sind somit vorteilhafterweise aus einem Material mit gutem thermischen Leit- wert. Ist das Zwischenelement 11 aus einem elektrisch leitfähigen Material, so muss es hin zur Spule 5 noch separat isoliert werden, was z.B. mittels des Elementes 12b erfolgen kann. Durch das Zwischenelement 11 kann zudem das Gewicht reduziert werden. Auch kann die Wärmeleitung direkt von der Spule 5 hin zum Zwischenelement 11 erfolgen, sofern das Element 12b eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Vorteil dieser Zwischenelemente 11 ist, dass hier ein Material mit wesentlich günstigeren thermischen Leitwerten eingesetzt werden kann, als das sich im Standardfall dort befindliche Statorblech. Es er- geben sich somit weitere parallele Wärmepfade S und ST, statt lediglich von Spule 5 hin zum Statorzahn 1 und von dort aus zum Gehäuse der Drehfeldma- schine.
Jeder Statorzahn 1 steht dabei aus dem Polkern lb und dem angeformten Pol- schuh la, wobei die Statorzähne 1 einer Zahngruppe ZG, mittels des magneti- schen Rückschlussmittels 15 miteinander verbunden sind. Die Statorzähne 1 einer Zahngruppe können dabei durch U-förmige Statorbleche gebildet sein. Die Spulen 5 sind mittels geeigneter Isolation 2, 12a von den Statorzähnen 1 elektrisch isoliert, wobei die Isolation 2 bzw. die Wärmeleitmittel 12a zum Wärmeabtransport von den Spulen in Richtung Statorzahn 1 dienen können.
Die Statorzähne 1 und magnetischen Rückschlüsse 15 sind aus einem ersten, insbesondere ferromagnetischen Material MAI gefertigt. Die Zwischenelemen- te 11 sind aus einem zweiten anderen Material MA2 gefertigt, welches insbe- sondere leichter und/oder einen besseren Leitwert als das erste Material MAI aufweist. Die Statorzähne einer Zahngruppe bilden zusammen mit ihrem mag- netischen Rückschlusselement 15 ein U-förmiges Joch, welches einen Teil des Magnetkreises MF bildet.
Der Innenrotor 9 ist beispielhaft mit Permanentmagneten 10 bestückt.
Die Zwischenelemente 11 können optional Kanäle für einen Wasserkühlkreis- lauf WK bilden oder mit integrierten Heat-Pipes HP ausgestattet sein. Die He- at-Pipes HP können auch durch sehr gut wärmeleitende Formelemente, z.B. Kupferstifte, gebildet sein. Durch diese Stifte wird insbesondere die axiale Wärmeleitung optimiert, was in der Ausgestaltung eines Innenläufermotors vorteilhaft zur Wärmeaufteilung genutzt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Stator (S) eines Außenläufermotors, wobei der Stator (S) mehrere Erre- gerwicklungen (5) trägt und mindestens ein Wärmeleitmittel (22, 23, WI) zur Wärmeabfuhr in axialer Richtung vorgesehen ist, wobei das Wärme- leitmittel (22, 23, WI) an der Stirnseite (5s) mindestens einer Erreger- wicklung (5) oder an einer die Erregerwicklung (5) umgebenden Ver- gussmasse (V) oder Isolierung anliegt und zudem mit einer Wärmesenke (13a, 13f), insbesondere in Form des Statorträgers (13), Kühlkörpers (KK) und/oder Gehäuses (G), zum Abtransport der Wärme in Verbindung ist.
2. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleit- mittel (23, WI) mittels einer Feder (19, 21) gegen die Erregerwicklung (5) kraftbeaufschlagt ist, wobei sich die Feder an dem Statorträger (13), Kühlkörper (KK) oder Gehäuse (G) abstützt.
3. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleit- mittel (23) mittels eines Schraubgewindes (23a) an die Erregerspule (5) anpressbar ist, insbesondere in eine Bohrung mit Innengewinde (13c) des Statorträgers (13), Kühlkörpers (KK) oder Gehäuses (G) einschraubbar ist.
4. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Statorzähnen (1, la, lb) des Stators Zwischenelemente (11,
21, 31, 31 ') angeordnet sind, insbesondere diese miteinander verbinden, die sich in axialer Richtung (AX) des Stators (S) entlang der Statorzähne (1) erstrecken, wobei die Zwischenelemente (11, 21, 31, 31 ') aus einem anderen Material (MA2) als die Statorzähne (1, la, lb) gefertigt sind.
5. Stator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material
(MA2) der Zwischenelemente (11, 21, 31, 31 ') eine Wärmeleitfähigkeit A2 von größer 100 W/mK, insbesondere größer 200 W/mK, aufweist, ins- besondere Aluminium oder Magnesium oder eine Legierung davon ist.
6. Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Stator (S) als Innenstator oder Außenstator ausgebil- det ist und eine Anzahl von N Statorzähnen (1) aufweist, die zusammen eine Anzahl von N/2 Zahngruppen (ZGi=i...N/2) bilden, und jeder Stator- zahn (1) jeweils einen Polkern (lb) und einen daran angeformten Pol- schuh (la) aufweist, wobei die Polkerne (lb) aus dem ersten Material (MAI) gefertigt sind, und dass jeweils eine Zahngruppe (ZG,) von zwei unmittelbar benachbart angeordneten Statorzähnen (1) gebildet ist, die zusammen mit einem magnetischen Rückschlussmittel (15, 25, 35) Be- standteil eines Magnetkreises (MF,) sind, wobei zwischen zwei benachbar- ten Statorzähnen (1) zweier benachbarter Zahngruppen (ZG) jeweils mindestens ein Zwischenelement (11, 21, 31, 31 ') angeordnet ist.
7. Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass zwischen Erregerspule (5) und Statorzahn (1) mindestens ein Wärmeleitelement (12a, 12b) angeordnet ist, welches insbesondere mit dem Zwischenelement (11, 21, 31) in Kontakt ist und das Wärmelei- telement vorzugsweise Kunststoff, Aluminiumoxid- oder -nitridkeramik oder Siliciumcarbid bzw. Bor-Nitrid ist bzw. aufweist und/oder eine Wär- meleitfähigkeit l > 5 W/mK hat.
8. Stator (S) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme- leitmittel (12a, 12b), insbesondere zur radialen Wärmeabfuhr von der Er- regerspule radial nach innen, zum wärmeabführenden Zwischenelement (21, 31), ein sich in axialer Richtung (AX) des Stators (S) erstreckender, insbesondere plattenförmiger Kühlkörper mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 5 W/mK ist und das Wärmeleitelement vorzugsweise Kunst- stoff, Aluminiumoxid- oder -nitridkeramik oder Siliciumcarbid bzw. Bor- Nitrid ist bzw. aufweist und/oder eine Wärmeleitfähigkeit l > 5 W/mK hat.
9. Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass im oder am Zwischenelement (11, 21, 31) mindestens ein Wärmeleitmittel (WK, HP), insbesondere in Form eines Wasserkanals ei- ner Fluid- oder Wasserkühlung (WK) oder einer Heat-Pipe (HP), angeord- net ist, welches sich in axialer Richtung des Stators (S) erstreckt und zum Abtransport von Wärme in axialer Richtung dient, insbesondere mit einem Kühlkörper (KK) in Kontakt ist, insbesondere bei Einsatz einer He- at-Pipe ein klassisches Wärmerohr mit einem hermetisch gekapselten Vo- lumen, das mit einem Arbeitsmedium, insbesondere mit Wasser oder Ammoniak gefüllt ist, angeordnet wird.
10. Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Raum zwischen den Wicklungen (5) in den Wicklungs- nuten (WN) mittels einer zusätzlichen Vergussmasse (F), insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,25 W/mK, vergossen ist, insbesondere derart, dass keine Lufteinschlüsse mehr zwischen den Spu- lendrähten der Wicklungen (5) vorhanden sind.
11. Stator (S) eines Außenläufermotors nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Statorträger (13) mindestens ein, sich insbesondere in axialer Richtung parallel zu den Statorzähnen (1) erstreckender Kanal für eine Wasserkühlung (WK) und/oder Heat-Pipe (HP) angeordnet ist.
12. Drehfeldmaschine mit mindestens einem Stator (S) nach einem der vor- hergehenden Ansprüche.
13. Drehfeldmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine zwei Statoren (S) und einen Außenläuferrotor aufweist, wobei der Außenläuferrotor mindestens ein sich radial zwischen den bei- den Statoren (S) erstreckendes Verbindungsmittel (14a) aufweist, wel- ches direkt oder indirekt über ein oder mehrere Teile (44, 14a), insbe- sondere über Kragen (16), mit der Welle (RW) drehfest verbunden ist, wobei an dem Verbindungsmittel (14a) mindestens eine zylinderförmige Wandung (14) angeformt oder befestigt ist, welche an ihrer Innenseite Permanentmagnete (10) trägt.
14. Drehfeldmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel des Rotors (14,14a) im Tiefziehverfahren hergestellt ist und insbesondere aus einem ferromagnetischen Material und dünn- wandig, vorzugsweise dünner als 3 mm, ist.
15. Drehfeldmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenläuferrotor von einem radial außenliegenden, insbesonde- re geblechtem, magnetischen Rückschlussmittel (42) umfasst ist, wobei sowohl zwischen den Polschuhen (la) und den Permanentmagneten (10) des Außenläuferrotors als auch zwischen dem Außenläuferrotor und dem magnetischen Rückschlussmittel (42) ein Luftspalt ist.
16. Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Erregerspulen (5) jedes Stators (S) der Drehfeldma- schine über einen oder zwei 3-Phasen-Anschlüsse (43) mit jeweils einer Leistungselektronikschaltung (LH) in Verbindung sind, sodass insbeson- dere bei Ausfall einer Leistungselektronikschaltung (LH) oder einer Spule noch ein Drehmoment, insbesondere 50% bzw. 75% des maximalen Drehmomentes, zur Verfügung steht.
17. Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Statorträger (13) unmittelbar oder über ein Zwischen- teil an einem Gehäuse (G) der Drehfeldmaschine angeordnet oder befes- tigt ist, insbesondere ein Kühlkörper (KK) am Statorträger (13) angeord- net ist.
18. Drehfeldmaschine nach Anspruch 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhr vom Stator (S) zum Kühlkörper (KK) oder Gehäu- se (G) über die Zwischenelemente (11, 21, 31, 31 ') und/oder die Was- serkühlung (WK) und/oder Heat-Pipes (HP) erfolgt.
19. Drehfeldmaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine ein Elektronikmodul (ECU) aufweist, wobei Komponenten des Elektronikmoduls (ECU) oder das Elektronikmodul (ECU) selbst mit dem Kühlkörper (KK) zum Wärmeabtransport in Verbin- dung ist, insbesondere der Kühlkörper (KK) zwischen dem Elektronikmo- dul (ECU) und dem Stator (S) bzw. dem Statorträger (13) angeordnet ist.
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