DE102020215609A1

DE102020215609A1 - Verfahren zum Herstellen eines Stators mit Kühlkanälen, sowie einen Stator und eine elektrische Maschine hergestellt nach diesem Verfahren

Info

Publication number: DE102020215609A1
Application number: DE102020215609.3A
Authority: DE
Inventors: Coralie Koo Sin Lin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stators (10) einer elektrischen Maschine (28), wobei am Stator (10) radiale Statorzähne (19) ausgebildet werden, die von elektrischen Windungen (14) zur Ausbildung von elektrischen Spulen (12) umschlossen sind, wobei der Stator (10) mittels einem additiven Multi-Material-3D-Druckverfahren mit einem magnetisch leitendem Material (23) für die Statorzähne (19) und einem elektrisch leitenden Material (21) für die Windungen (14) und einem elektrisch isolierendem Material (22) für eine Isolierung (15) der Windungen (14) hergestellt wird, wobei mittels dem 3D-Druckverfahren einstückig mit dem Stator (10) Kühlkanäle (40) zur Entwärmung des Stators (10) ausgebildet werden. Die Erfindung umfasst ebenfalls einen Stator und eine elektrische Maschine (28), hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Erfahren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stators mit Kühlkanälen, sowie einen Stator und eine elektrische Maschine hergestellt nach diesem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit der US 10,193,427 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten elektrischer Maschinen mit axialem oder radialem Magnetfluss bekannt geworden. Dabei werden mehrere Laminatschichten und/oder Materialpartikel mittels Laserschmelzen miteinander verbunden. Dieses Verfahren ist jedoch in der geometrischen Gestaltung der Komponenten und der Materialauswahl sehr eingeschränkt.
Die DE 10 2017 120 750 A1 beschreibt ein 3D-Multimaterial-Druckverfahren zur Herstellung einer Gitterstruktur und/oder eines Wärmetauschers. Dabei wird mit einer Kamera das schichtweise Auftragen der Materialien mittels einer Extrusionsdüse überwacht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stator für eine elektrische Maschine herzustellen, bei dem die Statorspulen ohne großen zusätzlichen Fertigungsaufwand mittels eines Kühlmediums gekühlt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Stators, sowie der Stator und die elektrische Maschine hergestellt nach diesem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass mittels dem dreidimensionalen (3D) Druckverfahren ein vollständiger Stator hergestellt werden kann, in dem direkt die Kühlkanäle für einen Kühlkreislauf integriert werden können. Durch das additive Multi-Material-Druck-Verfahren kann der Stator aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, die mechanisch fest miteinander verbunden sind. So können hiermit mehrere Spulen gefertigt werden, die mechanisch starr mit gedruckten Statorzähnen verbunden sind, und insbesondere auch entsprechend einer vorgebbarem Verschaltungsprinzip elektrisch miteinander verschaltet werden können. Die einzelnen Spulen weisen hierbei zentrale Durchgangsöffnungen auf, in die mit dem 3D-Druck-Verfahren magnetisch leitenden Spulenkerne als Statorzähne gedruckt werden. Die Windungen der Spulen werden mittels einem gedruckten isolierenden Material gegeneinander und gegenüber den Statorzähnen isoliert, wobei bevorzugt keine Hohlräume entstehen. Die Kühlkanäle können im gleichem Prozess-Schritt mit dem 3D-Drucken entlang der Windungen ausgebildet werden, wobei hierfür durch die freie Gestaltung beim 3D-Drucken der zur Verfügung stehend Bauraum optimal ausgenutzt werden kann. Dabei können die Kühlkanäle, die Windungen, die Statorzähne und die Isolierung mittels dem Multimaterial-Drucken aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, und dabei gleichzeitig formschlüssig und/oder stoffschlüssig und mechanisch fest miteinander verbunden werden. Dadurch ist kein zusätzlicher Aufwand für die Ausbildung der Kühlkanäle notwendig.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Durch das 3D-Multi-Material-Drucken können verschiedene Materialien für die Komponenten des Stators unmittelbar aneinander gefügt werden. Beim 3D-Drucken wird das Material in einzelnen Schichten übereinander aufgetragen und anschließend ausgehärtet. Für die Statorzähne mit dem Statorjoch wird bevorzugt Eisen verwendet, für die elektrische Windung ist Kupfer besonders vorteilhaft und für die Isolierung der Wicklung kann besonders vorteilhaft Keramik verwendet werden.
Durch das 3D-Druckverfahren ist man mit der Anordnung der Kühlkanäle im Stator sehr flexibel. Für die Kühlung ist es besonders effizient, wenn die Kühlkanäle in Axialrichtung direkt entlang den Windungen verlaufen, da sie dann eine große direkte Kontaktfläche zu den Spulen haben. Dabei können die Kühlkanäle bezüglich der Umfangsrichtung zwischen den Statorzähnen und den Windungen angeordnet werden, wobei hier insbesondere die Kühlkanäle auch als integrierter Bestandteil der Statorzähne ausgebildet sein kann.
Die Kühlkanäle können in Axialrichtung auch zwischen zwei benachbarten Spulen angeordnet werden, die jeweils insbesondere als Einzelzahnspulen ausgebildet sind. Ein solcher Kühlkanal kann dann gleichzeitig die Windungen von zwei in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Spulen kühlen.
Für eine gute Wärmeübertragung von den Spulen auf die Kühlkanäle ist es vorteilhaft, wenn sich die Kühlkanäle in Radialrichtung über die gesamte Ausdehnung der Spulen erstrecken. So erstrecken sich die Kühlkanäle von den radial freien Enden der Statorzähne (Zahnköpfe) in Radialrichtung bis zum den Jochbereichen, die die einzelnen Statorzähne magnetisch miteinander verbinden.
Für einen Innenläufermotor können dabei die Kühlkanäle an der radialen Außenseite der Stators eine größere Breite in Umfangsrichtung aufweisen, als an der radialen Innenseite des Stators, an der aufgrund des geringeren Radius weniger Platz in Umfangsrichtung zur Verfügung steht. Dadurch ist der Querschnitt der Kühlkanäle quer zur Längsrichtung vorteilhaft keilförmig, in Form eines Kuchenstückes ausgebildet, wodurch ein größerer Durchsatz von Kühlmittel durch die Kühlkanäle erzielt werden kann.
Die einzelnen Windungen der Einzelzahnspulen sind vorteilhaft als flache leitende Schichten ausgebildet, zwischen denen dünne Schichten der Isolierung angeordnet sind. In einem Querschnitt durch die Rotationsachse sind dann die Schichten der Windungen vorteilhaft in Radialrichtung zur zentralen Rotationsachse hin ausgerichtet und verlaufen damit entlang der Radialrichtung der Statorzähne. In einer alternativen Ausführung können die Schichten der Windungen sich auch in Tangentialrichtung erstrecken, so dass die Schichten quer zur Radialrichtung der Statorzähne ausgerichtet sind. Bei dieser tangentialen Ausrichtung der Windungs-Schichten sind die Kühlkanäle vorteilhaft mit den einzelnen Windungs-Schichten in Kontakt, so dass durch einen sich über die gesamte Radialrichtung erstreckenden Kühlkanal alle tangential ausgerichteten Windungsschichten gleichzeitig gekühlt werden können.
Um einen Kühlkreislauf zu realisieren, sind die einzelnen in Axialrichtung verlaufenden Kühlkanäle mittels tangential verlaufenden Verbindungkanälen miteinander verbunden. Diese Verbindungskanäle können in einfacher Weise an den axialen Stirnseiten des Stators oberhalb und/oder unterhalb der Spulen angeordnet werden. Dabei ist beispielsweise eine Einzelzahnspule an ihrem äußerem Umfang vollständig von den Kühlkanälen und den Verbindungskanälen umschlossen.
Als weitere Möglichkeiten können die Verbindungskanäle zwischen den einzelnen axialen Kühlkanälen auch im Jochbereich ausgebildet sein, so dass diese bei einem Innenläufer beispielsweise radial außerhalb der Windungen angeordnet sind. Dabei können diese Verbindungskanäle bevorzugt in das Eisen des Jochbereichs integriert werden.
Die axialen Kühlkanäle, sowie die Verbindungskanäle können aus dem gleichen Material wie die Statorzähne ausgebildet werden, oder aber auch direkt in das Material der Isolierung (z. b. Keramik) eingebettet werden. Wird für die Kühlkanäle das gleiche Material wie für die elektrischen Windungen verwendet, müssen diese an ihre Außenseite gegenüber den Windungen isoliert werden.
Um die Spulen des Stators effizient zu Kühlen, wird durch die Kühlkanäle ein Kühlmittel durchgeleitet, dass die erzeugte Wärme aufnimmt. Bevorzugt wird ein flüssiges Kühlmittel verwendet, dessen Hauptbestandteile entweder Wasser oder Öl sein kann. Die Anschlüsse für solch einen Kühlmittelkreislauf können je nach Bauraum entweder an den axialen Stirnseiten des Stators, oder an der radialen Außenseite des Stators angeordnet werden.
Die einzelnen radialen Statorzähne sind mittels dem 3D-Drucken über die in Tangentialrichtung verlaufenden Jochbereiche alle einstückig miteinander verbunden. Dabei können die axialen Kühlkanäle zwischen den Einzelzahnspulen mittels Verbindungskanälen verbunden werden, die radial innerhalb des Jochbereichs, vorzugsweise unmittelbar benachbart zu diesem angeordnet sind.
Durch dieses additive Multimaterial-3D-Druckverfahren kann ein sehr kompakter Stator hergestellt werden, bei dem die Statorzähne und die Windungen und die Kühlkanäle alle unmittelbar aneinander anliegen, ohne dass dazwischen Hohlräume ausgebildet werden. Dadurch kann einerseits Bauraum gespart werden, und andererseits die Wärmeabfuhr deutlich verbessert werden. Die Kühlkanäle können durch das flexible 3D-Drucken örtlich an den Stellen mit den elektrischen Windungen kontaktiert werden, an denen die größter Wärme generiert wird. Dabei kann auch die Geometrie der Statornut und des Statorzahns bezüglich der gewünschten Anwendung optimiert werden. Für die Formgebung der Kühlkanäle kann auch die gewünschte Durchflussgeschwindigkeit oder der Kühlmitteldruck berücksichtigt werden, insbesondere auch um unerwünschte Geräuschbildungen zu unterdrücken.
Ein derart gefertigter Stator kann bevorzugt als Bestandteil eines EC-Innenläufermotors ausgebildet sein. Dabei verlaufen von dem außenliegenden Jochbereich die Statorzähne radial nach innen, wobei radial gegenüberliegend zu den freien Polköpfen der Statorzähne der Rotor angeordnet ist. Der Rotor weist bevorzugt Permanentmagnete auf, die durch die elektrische Kommutierung der Statorspulen in Drehbewegung versetzt werden. Bei einer solchen elektrischen Maschine kann dabei die in den Spulen generierte Wärme sehr effizient abgeführt werden, so dass die Maschine für einen höheren Leistungsbereich und/oder auch für längere Betriebszeiten eingesetzt werden kann.
Durch das 3D-Drucken der Spulen mit dem leitenden und isolierenden Material können einerseits die Statornuten mit einem optimalen Kupferfüllfaktor ausgefüllt werden, da sich zwischen den Windungen keine Luftspalte bilden. Gleichzeitig können die Kühlkanäle in unmittelbarem thermischen Kontakt zu den Windungen ohne Luftspalte ausgebildet werden. Dadurch kann die Leistungsdichte der elektrischen Maschine pro Baulängeneinheit erhöht werden. Die Spule weist bevorzugt geschichtete Windungen auf, bei denen sich das leitende Material mit dem isolierenden Material in den Schichtfolgen abwechseln. Dabei kann die Schichtdicke des leitenden und/oder des isolierenden Materials über den Umfang des Spulenkerns variieren, so dass die Schichtdicke an der axialen Stirnseite der Spule geringer ausgebildet ist, als im Nutbereich entlang der axialen Längserstreckung der Spule. Dadurch kann der Bauraum optimal ausgenutzt werden und eine kompakte elektrische Maschine mit hoher Leistungsdichte hergestellt werden.
Figurenliste
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ausführungen der Beschreibung und der Zeichnungen, wie diese in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben sind. Es zeigen:

1 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators,
2 einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators,
3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführung eines Stators, und
4 eine Variante einer Draufsicht gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3.

In 1 ist ein Stator 10 dargestellt, der mehrere Statorzähne 19 aufweist, die sich in Radialrichtung 9 erstrecken. Die Statorzähne 19 sind an Jochbereichen 36 angeordnet, die in Umfangsrichtung 7 einen geschlossenen Rückschluss-Ring 37 bilden. Die Statorzähne 19 sind von elektrisch leitenden Windungen 14 umschlossen, die eine auf dem Statorzahn 19 angeordnete Einzelzahnspule 12 bilden. Die Windungen 14 sind aus einem elektrisch leitenden Material 21 - vorzugsweise Kupfer - hergestellt. Um die Windungen 14 gegeneinander zu isolieren, ist zwischen diesen eine Isolierung 15 aus isolierendem Material 22 - vorzugsweise Keramik - angeordnet. Die Statorzähne 19 und die Jochbereiche 36 sind aus magnetisch leitendem Material 23 - vorzugsweise Eisen - hergestellt. Das elektrisch leitende Material 21 ist zusammen mit dem isolierenden Material 22 und dem magnetisch leitendem Material 23 mittels einem additiven Multi-Material-3D-Druckverfahren (3-dimensionalen) hergestellt. Dabei werden die Materialien 21, 22, 23 mittels Düsen direkt aneinander angefügt - insbesondere schichtweise gedruckt -, so dass bevorzugt keine Hohlräume zwischen den Windungen 14 entstehen. Im Stator 10 sind mehrere Kühlkanäle 40 einstückig mit dem Stator 10 ebenfalls mittels 3-D-Drucken ausgebildet. Die Kühlkanäle 40 erstrecken sich in Axialrichtung 8 entlang der Windungen 14, um diese zu entwärmen. Rechts oben im Bild sind die Kühlkanäle 40 bezüglich der Umfangsrichtung 7 zwischen dem Statorzahn 19 und den Windungen 14 angeordnet. Die Kühlkanäle 40 erstrecken sich in Radialrichtung 9 entlang der gesamten radialen Ausdehnung 13 der Einzelzahnspule 12. In diesem Bereich sind die Windungen 14 als Schichten ausgebildet, die sich ebenfalls über die gesamte radiale Erstreckung 13 der Einzelzahnspule 12 entlang dem Statorzahn 19 erstrecken, wobei mehrere Schichten mit dazwischenliegenden Isolationsschichten 15 in Umfangsrichtung 7 gestapelt angeordnet sind. In der Einzelzahnspule 12 ist eine zentrale Durchgangsöffnung 18 ausgebildet, durch die der Statorzahn 19 als Spulenkern 20 hindurchragt. Die Kühlkanäle 40 verlaufen dann hier entlang der Innenwand der zentralen Durchgangsöffnung 18. Bei dieser Ausführungsvariante sind die beiden in Axialrichtung 8 verlaufenden Kühlkanäle 40 über einen Verbindungskanal 42 miteinander verbunden, der in Umfangsrichtung 7 entlang dem Jochbereich 36 verläuft. Optional kann auch ein weiterer Verbindungskanal 42 radial innen im Bereich der Polköpfe 58 der Statorzähne 19 die beiden in Axialrichtung 8 verlaufenden Kühlkanäle 40 miteinander verbinden.
Im Bild links oben ist eine weitere Variante von Kühlkanälen 40 dargestellt, die jeweils bezüglich der Umfangsrichtung 7 zwischen zwei Einzelzahnspulen 12 angeordnet sind und in Axialrichtung 8 verlaufen. Die Einzelzahnspulen 12 liegen dabei jeweils mit ihrer zentralen Durchgangsöffnung 18 am Statorzahn 19 an. Die Kühlkanäle 40 verlaufen dann in Axialrichtung 8 an der Außenseite der Spule 12 entlang der obersten Windungs-Schicht der Spule 12. Die Kühlkanäle 40 erstrecken sich hier in Radialrichtung 9 auch über die gesamte radiale Breite 13 der Spule 12. Insbesondere sind die Kühlkanäle 40 an der radial äußeren Seite 51 am Jochbereich 36 in Umfangsrichtung 7 dicker ausgebildet als radial innen im Bereich 52 der Polköpfe 58. Die in Axialrichtung 8 verlaufenden Kühlkanäle 40 sind hier mittels eines Verbindungskanals 42 in Umfangsrichtung 7 miteinander verbunden, der in den Jochbereich 36 integriert ist.
Im unteren Teil der 1 ist eine weitere Variante dargestellt, bei der die axial verlaufenden Kühlkanäle 40 mittels Verbindungskanälen 42 in Umfangsrichtung 7 miteinander verbunden sind, die an axialen Stirnseiten 53, 54 des Stators 10 verlaufen. Die Verbindungskanäle 42 erstrecken sich hier bevorzugt über die gesamte radiale Ausdehnung 13 der Spule 12 und verlaufen axial oberhalb und/oder unterhalb der Spule 12. Die Kühlkanäle 40 bilden mit den Verbindungskanälen 42 eine den Statorzahn 19 vollständig umschließende Kühlwindung 45 um die Außenseite der Spule 12. Damit wird sowohl die umschlossene Einzelzahnspule 12, als auch die axialen Außenseiten der benachbarten Einzelzahnspulen 12 gekühlt.
Rechts unten im Bild ist in 1 eine Variante einer Einzelzahnspule 12 dargestellt, bei der die Windungen 14 als Schichten ausgebildet, die sich quer zum Statozahn 19 in Tangentialrichtung 7 erstrecken. Mehrere Schichten von Windungen 14 mit dazwischenliegenden Isolationsschichten 15 sind hier in Radialrichtung 9 gestapelt angeordnet, wobei deren Abmessung in Tangentialrichtung 7 an der radialen Außenseite 51 größer ist, als an der radialen Innenseite 52 des Stators 10. Die Verbindungskanäle 42 können bei dieser Windungsanordnung innerhalb der radialen Abmessung 13 der Spule 12 oder radial außerhalb der Spule 12 verlaufen.
Die in Axialrichtung 8 verlaufenden Kühlkanäle 40 und die Verbindungskanäle 42 können mittels 3D-Drucken aus dem elektrisch leitenden Material 21 und/oder aus dem isolierenden Material 22 und/oder aus dem magnetisch leitenden Material 23 hergestellt sein. Wird für die Kühlkanäle 40 ein leitendes Material 21 verwendet, sind diese bevorzugt mittels einer Isolationsschicht 15 gegenüber den elektrischen Windungen 14 isoliert ausgebildet. Zur Ausbildung des Kühlkreislaufs können Anschlüsse 46 für die Kühlkanäle 40 an den axialen Stirnseiten 53, 54 und/oder an der radial äußeren Umfangsseite 51 ausgebildet sein. Dabei können alle Kühlkanäle 40 und Verbindungskanäle 42 zu einem einzigen gemeinsamen Kühlkreislauf verbunden sein, oder mehrere separate Kühlkreisläufe ausgebildet werden.
In den Stator 10 wird zur Ausbildung einer elektrischen Maschine 28 ein Rotor 33 auf einer Rotationsachse 60 gelagert. Auf dem Rotor 33 sind bevorzugt Permanentmagnete 62 angeordnet, die mit den Polköpfen 58 der Statorzähne 19 zusammenwirken. Die Einzelzahnspulen 12 des Stators 10 werden von einer Steuereinheit angesteuert, die eine elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine 28 als EC-Motor realisiert. Insbesondere werden mittels dem 3D-Druckverfahren in einem Prozess mit den Spulen 12 auch eine Verschaltungsanordnung gedruckt. Die Verschaltungsanordnung verbindet die einzelnen Spulen 12 elektrisch entsprechend einem vorgegebenen Wickelschema, so dass beispielsweise eine Sternschaltung oder eine Dreiecksschaltung durch die Verschaltungsanordnung ausgebildet ist. Die Verschaltungsanordnung weist elektrische Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Spulen 12 auf, die aus dem gleichen leitenden Material 21 und einstückig leitend mit den Windungen 14 ausgebildet ist. Der gesamte Stator 10 wird nach dem 3D-Drucken gesintert, so dass Binderanteile der gedruckten Materialien 21, 22, 23 ausgetrieben werden. Für die Endmaße ist beim 3D-Drucken zu berücksichtigen, dass beim Trocken des Stators 10 ein Materialschwund auftritt.
In 2 ist ein Ausschnitt einer weiteren Ausführung eines Stators 10 dargestellt, dessen Außenseite 51 beispielswiese eckig ausgebildet ist. Die Schichten der elektrischen Windungen 14 erstrecken sich - wie in 1 im Bild rechts unten - näherungsweise quer zur radialen Erstreckung 20 des Statorzahns 19. Zwischen den Windungen 14 aus elektrisch leitendem Material 21 sind die Schichten mit der Isolierung 15 angeordnet. Die Kühlkanäle 40 sind hier in die Isolation 15 integriert, so dass sich diese tangentialen Kühlkanäle 39 in Umfangsrichtung 7 zwischen den Windungen 14 erstrecken. Des Weiteren sind Kühlkanäle 40 in der Isolation 15 zwischen dem Statorzahn 19 und den Windungen 14 ausgebildet, die sich bevorzugt über den gesamten radiale Ausdehnung 13 der Spule 12 erstrecken. Ebenso sind Kühlkanäle 40 zwischen zwei Spulen 12 innerhalb der Isolation 15 ausgebildet, die sich insbesondere über die gesamten radiale Ausdehnung 13 der Spule 12 erstrecken. Somit sind die einzelnen Windungsschichten bei dieser Ausführung in Tangentialrichtung 7 und in Radialrichtung 9 von Kühlkanälen 40 umschlossen. Der Kühlkanal 40 zwischen dem Statorzahn 19 und den Windungen 14 ist dabei mittels der tangentialen Kühlkanäle 39 mit dem Kühlkanal 40 zwischen zwei Einzelzahnspulen 12 miteinander verbunden, und dies in einem Statorbereich, der sich radial innerhalb des Jochbereichs 36 im radialen Bereich der Spule 12 erstreckt. Die tangentialen Kühlkanäle 39 können sich hierbei auch entlang der Windungen 14 geschlossen um den Statorzahn 19 herum erstrecken.
Im Statorzahn 19 erstreckt sich in Axialrichtung 8 ein weiterer Kühlkanal 40, der sich über die gesamte radiale Ausdehnung 13 der Spule 12 erstreckt. Der Kühlkanal 40 verläuft auch im Inneren des Jochbereichs 36 in Tangentialrichtung 7, als auch in Axialrichtung 8. Somit ist das T-förmige Statorzahn-Jochsegment 35 aus magnetisch leitendem Material 23 innen hohl als Kühlkanal 40 ausgebildet. Dieser Kühlkanal 40 kann dabei in dem durchgängigen Rückschlussring 37 mittels Verbindungskanälen 42 mit anderen Kühlkanälen 40 in den Statorzähnen 19 verbunden sein (siehe in 2, linke Seite). Die Kühlkanäle 40 in den Jochbereichen 36 können an einem axialen Stirnbereich 53, 54 des Stators 10 auch axial außerhalb der Spulen 12 miteinander verbunden werden (wie dies auch in 3 auf der linken Seite dargestellt ist).
3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführung eines Stators 10. Auf der linken Seite verläuft der Schnitt durch einen Statorzahn 19, dessen Inneres als axialer Kühlkanal 40 ausgebildet ist. Der Kühlkanal 40 erstreckt sich wieder über die gesamte radiale Ausdehnung 13 der den Statorzahn 19 umschließenden Einzelzahnspule 12. Auf der rechten Seite der 3 verläuft der Schnitt durch einen Statorzahn 19, der auch im Inneren vollständig aus magnetisch leitendem Material 23 ausgebildet ist. Nur im Jochbereich 36 sind einzelne axiale Kühlkanäle 40 ausgebildet, die beispielsweise einen runden Querschnitt 44 aufweisen, wie diese auch in 4 dargestellt sind. Die axialen Kühlkanäle 40 sind in 3 mittels mindestens einer Kühlplatte 48 miteinander verbunden, die axial oberhalb und/oder unterhalb der Spulen 12 angeordnet ist. Die Kühlplatte 48 erstreckt sich bevorzugt ringförmig über den gesamten Umfangswinkel des Stators 10, kann aber auch nur auf bestimmte Winkelsegmente 49 beschränkt sein. In der Mitte der 3 ist schematisch ein Schnitt durch eine einzige Einzelzahnspule 12 dargestellt. Hier ist wieder im Inneren des Statorzahns 19 der axiale Kühlkanal 40 ausgeformt.
Die Windungen 14 verlaufen geschlossen um den Statorzahn 19 und sind mittels der Isolierung 15 gegenüber dem Statorzahn 19 isoliert. Die Spulen 12 sind an der oberen axialen Stirnseite 53 mittels einer Verschaltungsanordnung 16 elektrisch miteinander verbunden, die hier axial zwischen den Einzelzahnspulen 12 und der Kühlplatte 48 angeordnet ist.
Des Weiteren können in Umfangsrichtung 7 zwischen den Einzelzahnspulen 12 Kühlkanäle 40 in Axialrichtung 8 verlaufen, wie dies in 4 in einem schematischen Querschnitt gemäß dem Schnitt IV - IV durch die Kühlplatte 48 in 3 dargestellt ist. Die Kühlkanäle 40 erstrecken sich in Radialrichtung 9 entlang der radialen Ausdehnung 13 der Spulen 12 bis zu den Jochbereichen 36. Außerdem sind im Inneren der Jochbereiche 36 die Kühlkanäle 40 mit dem runden Querschnitt 44 dargestellt. Die axialen Kühlkanäle 40 sind mittels der Kühlplatte 48 an der oberen Stirnseite 53 alle miteinander verbunden. Dabei bildet die Kühlplatte 48 - oder bestimmte Winkelsegmente 49 von der Kühlplatte 48 - die Kühlwindung 45, die die elektrischen Windungen 14 umschließt (siehe 1, im Bild unten). Die Kühlplatte 48 ist hier insbesondere in die Isolation 15 integriert, sie kann jedoch auch aus einem anderen Material gedruckt werden. Die Kühlplatte 48 kann also die Kühlkanäle 40, die innerhalb der Statorzähne 19 und/oder innerhalb des Jochbereichs 36 und/oder zwischen den Einzelzahnspulen 12 angeordnet sind, an der mindestens einen axialen Stirnseite 53, 54 miteinander verbinden. Die Anschlüsse 46 für den Kühlkreislauf sind hier bevorzugt an der mindestens einen axialen Stirnseite 53, 52 ausgebildet.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So können insbesondere die Anordnung der axialen Kühlkanäle 40 innerhalb der Statorzähne 19, oder zwischen den Statorzähnen 19 und den Spulen 12, oder zwischen den Spulen alternativ oder in Kombination angeordnet werden. Ebenso können die Verbindungskanäle 42 in Umfangsrichtung 7 alternativ oder in Kombination innerhalb des Jochbereichs 36 oder axial außerhalb der Spulen 12 innerhalb der radialen Ausdehnung 13 der Spulen angeordnet werden. So können die verwendeten Materialen 21, 22, 23 für die Windungen 14 und/oder die Isolation 15 und/oder die Statorzähne 19 entsprechend den Anforderungen der elektrischen Maschine 28 variiert werden. Bei dem 3D-Drucken der Spulen 12 können diese in Umfangsrichtung 7 und/oder Radialrichtung 9 ohne Luftspalt direkt an die Kühlkanäle 40 angrenzen, da die einzelnen Windungen 14 mit dem isolierenden Material 22 gegeneinander isoliert sind. Der Querschnitt der Spulen 12 kann bezüglich der Axialrichtung 8 an ihren axialen Seiten trapezförmig oder kreissegmentförmig ausgebildet werden. Dabei kann auch der Querschnitt der axialen Kühlkanäle 40 rechteckig, trapezförmig oder kreissegmentförmig ausgebildet werden. Die Durchgangsöffnungen 18 der Spulen 10 und die Statorzähne 19 weisen jeweils eine Querschnittsfläche auf, die beispielsweise näherungsweise rechteckig ausgebildet ist. Diese Querschnittsfläche kann mittels dem 3D-Drucken jedoch auch sehr einfach variiert werden, und je nach Magnetkreisauslegung abgerundete Ecken, oder einen ovalen Querschnitt aufweisen. Die elektrische Maschine 28 kann auch als Außenläufermotor ausgebildet sein, bei der der Rotor 33 radial außerhalb des Stators 10 angeordnet ist. Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Ausbildung der Kühlkanäle 40, 42, 45 auch auf einen Rotor 33 übertragen werden. Diese könnend dabei als offene Luftkanäle ausgebildet werden, oder die Anschlüsse 46 für die Kühlung müssen flexibel gestaltet werden. Die erfinderische elektrische Maschine 28 eignet sich besonders als Ausführung eines EC-Motors zur Verstellung beweglicher Komponenten oder für Rotationsantriebe im Kraftfahrzeug. Dabei kann ein solcher erfindungsgemäßer Elektromotor besonders günstig für einen eingeschränkten Bauraum und hohen Leistungsdichten eingesetzt werden, insbesondere bei der Fertigung von kleineren Stückzahlen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10193427 B2 [0002]
DE 102017120750 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Stators (10) einer elektrischen Maschine (28), wobei am Stator (10) radiale Statorzähne (19) ausgebildet werden, die von elektrischen Windungen (14) zur Ausbildung von elektrischen Spulen (12) umschlossen sind, wobei der Stator (10) mittels einem additiven Multi-Material-3D-Druckverfahren mit einem magnetisch leitendem Material (23) für die Statorzähne (19) und einem elektrisch leitenden Material (21) für die Windungen (14) und einem elektrisch isolierendem Material (22) für eine Isolierung (15) der Windungen (14) hergestellt wird, wobei mittels dem 3D-Druckverfahren einstückig mit dem Stator (10) Kühlkanäle (40) zur Entwärmung des Stators (10) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (21) - insbesondere Kupfer - und das elektrisch isolierende Material (22) - insbesondere Keramik - und das magnetisch leitende Material (23) - insbesondere Eisen - mittels Düsen schichtweise aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (40) in Axialrichtung (8) verlaufen und bezüglich der Umfangsrichtung (7) zwischen den Statorzähnen (19) und den Spulen (12) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (40) in Axialrichtung (8) verlaufen und bezüglich der Umfangsrichtung (7) zwischen zwei benachbarten Spulen (12) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (40) innerhalb der Statorzähne (19) und/oder innerhalb der Jochbereiche (36) - insbesondere in Axialrichtung (8) - verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kühlkanäle (40) im Wesentlichen über die gesamte radiale Abmessung (13) der Spulen (12) erstrecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung (41) der axialen Kühlkanäle (40) in Tangentialrichtung (7) im radial äußeren Bereich (51) größer ist, als im radial inneren Bereich (52), und vorzugsweise der Querschnitt der axialen Kühlkanäle (40) bezüglich der Axialrichtung (8) keilförmig oder kreisringsegmentförmig oder rechteckig ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (14) als einzelne Schichten ausgebildet werden, die sich entlang der radialen Ausdehnung (20) oder quer zur radialen Ausdehnung (20) der Statorzähne (19) erstrecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in Axialrichtung (8) verlaufende Kühlkanäle (40) an mindestens einer axialen Stirnseite (53, 54) des Stators (10) axial außerhalb der Spulen (12) miteinander verbunden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in Axialrichtung (8) verlaufende Kühlkanäle (40) an mindestens einer radial äußeren Seite (51) des Stators (10) radial außerhalb der Spulen (12) miteinander verbunden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwand der Kühlkanäle (40) aus dem elektrisch leitende Material (21) oder dem elektrisch isolierenden Material (22) oder dem magnetisch leitende Material (23) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (40) von einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmittel durchflossen werden - das insbesondere Wasser oder Öl enthält - und Anschlüsse (46) für einen Kühlmittelkreislauf an mindestens einer axialen Stirnseite (53, 54) oder an der radialen Außenseite (51) des Stators (10) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (10) über in Tangentialrichtung (7) umlaufende Jochbereiche (36) einstückig miteinander zu einem Rückschluss-Ring (37) verbunden sind, und die in Axialrichtung (8) verlaufenden Kühlkanäle (40) in einem radial an die Jochbereiche (36) angrenzenden - und insbesondere auch axial mit den Statorzähnen (19) überlappenden - Bereich miteinander verbunden werden.
Stator (10) für eine elektrische Maschine (28), hergestellt mittels einem additiven Multi-Material-3D-Druckverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die axialen Kühlkanäle (40) zur Entwärmung des Stators (10) einstückig mit dem Stator (10) ausgebildet sind, wobei die Kühlkanäle (40) bezüglich der Umfangsrichtung (7) zwischen den Statorzähnen (19) und den Spulen (12) oder zwischen zwei benachbarten Spulen (12) oder innerhalb der Statorzähne (19) angeordnet sind.
Elektrische Maschine (28) mit einem Stator (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass radial gegenüberliegend zu den Statorzähnen (19) ein Rotor (33) angeordnet ist, an dem insbesondere Permanentmagnete (62) angeordnet sind, und der Stator (10) einen Kühlkreislauf aufweist, dessen Kühlkanäle (40, 42) integrativer Bestandteil des einstückig mittels dem additiven 3D-Druckverfahren gefertigten Stators (10) sind.