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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Antriebsmaschine sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben, die mit darin eingesetztem Stator insbesondere zum Antreiben eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs verwendet werden kann.
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Mit der stetig steigenden Zahl an Elektrofahrzeugen sind heutzutage mitunter auch hochperformante Elektrofahrzeuge auf dem Markt erhältlich, welche hinsichtlich ihrer Fahrleistung sogar die besten, klassisch mit einem Verbrennungsmotor angetriebenen Sportwagen übertreffen. Bei den entsprechend agilen, durchzugsstarken und dauerhaft hohe Leistung zur Verfügung stellenden Antrieben kommen Elektromotoren mit einer Flüssigkeitskühlung zum Einsatz. Mittels einer Flüssigkeitskühlung kann die in Form von Wärme an der Statorwicklung entstehende Verlustleistung effizient abgeführt werden. Dazu beinhaltet das Gehäuse der E-Maschine ein Kühlkanalsystem, das mit einem flüssigen Kühlmittel durchströmt wird. Die in der E-Maschine entstehende Wärme wird mittels Wärmeleitung und Konvektion in das Kühlmittel abgeführt. In einem Kühlmittelkühler wird die aufgenommene Wärme an die Umgebung abgegeben, wodurch das Kühlmittel wieder abgekühlt wird und in einem geschlossenen Kreislauf wieder dem Gehäuse der E-Maschine zugeführt.
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Die Wickelköpfe sind bei einer Vielzahl der E-Maschinen das leistungsbegrenzende Bauteil, wobei unter einem Wickelkopf derjenige Teil einer Wicklung bzw. Flachdrahtwicklung zu verstehen ist, der sich außerhalb der Statornuten befindet, da sie diejenigen Teile der E-Maschine sind, welche im Betrieb die maximal zulässige bzw. ertragbare Temperatur erreichen. Aus diesem Grund ist das Ziel des Kühlsystems den Wärmeübergang zwischen Wickelkopf und Kühlmittel so gut wie möglich zu gestalten. Häufig werden die Wickelköpfe deshalb mit Vergussmasse durchtränkt. Ferner existieren Konzepte, bei denen die Wickelköpfe direkt mit Öl umspült werden. Das Öl ersetzt das herkömmliche Kühlmittel. Hierbei muss sichergestellt werden, dass das Öl nicht in den Luftspalt zwischen Stator und Rotor gelangt, da es dann zu hohen Reibungsverlusten kommt. Um dies zu erreichen, wird bei diesen Konzepten häufig der Statorraum durch eine Hülse abgedichtet, die aus einem nicht-magnetisierbaren Material hergestellt ist, etwa aus faserverstärktem Kunststoff. Das Auskleiden des Statorraumes bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass der „magnetische Luftspalt“ zwischen Stator und Rotor größer wird, wodurch der Wirkungsgrad und das maximal mögliche Moment der E-Maschine reduziert werden. Dem kann entgegengewirkt werden, indem die Hülse so ausgeführt wird, dass sie eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringer Wandstärke besitzt. Beispiele dafür finden sich in den Druckschriften
DE 10 2010 055 821 B4 und
DE 10 2016 101 705 A1 .
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Um die Verlustwärme noch effizienter abzuführen, sind E-Maschinen mit einer direkten Wicklungskühlung aus dem Stand der Technik bekannt, bei denen das Kühlmedium direkt durch die Nuten geführt wird, in denen die Wicklungsdrähte liegen. Die Kupferwicklungen werden also vollständig vom Kühlmedium umströmt, so dass eine größere Oberfläche für den Wärmeübergang zur Verfügung steht und die Abwärme besser abgeführt werden kann.
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Eine direkte Wicklungskühlung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2017 102 141 bekannt. Dabei wird zur Umsetzung der direkten Wicklungskühlung das den Statorraum abdichtende Bauteil direkt in den Stator einlaminiert, in situ angepresst und unter Temperatur ausgehärtet wird. Durch die kraft- und teilweise auch formschlüssige (Klebe-)Verbindung kann der sogenannte Liner im Betrieb hohen Drücken im Statorraum Stand halten. Liner und Statorblechpaket sind untrennbar miteinander verbunden. Aufgrund des Anlaminierens kann ein vergleichsweise kostengünstiger Werkstoff eingesetzt und geringe Wandstärken des Liners realisiert werden, z.B. mittels glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Alternativ dazu kann eine eigenstabile Hülse hergestellt werden, beispielsweise in einem Wickelverfahren. Die Hülse wird separat vom Stator gefertigt und ausgehärtet und kann im Fertigungsprozess des Stators zu einem beliebigen Zeitpunkt axial in diesen eingeschoben werden. Dabei bildet sie ein vom Statorblechpaket trennbares Teil und kann z.B. im Reparaturfall entnommen und ggfs. getauscht werden. Da die Hülse keine Verbindung mit dem Statorblechpaket eingeht, muss sie aus einem steiferen und festeren Material hergestellt werden, um im Betrieb dem Außendruck des Kühlfluids im Statorraum Stand halten zu können. Daher können hier z.B. Kohlenstofffasern oder Zylonfasern zum Einsatz kommen. Außerdem muss die Wandstärke der Hülse i.d.R. höher sein, als die Wandstärke eines Liners. Zur Stabilisierung muss die Hülse lokal - insbesondere unter den Wickelköpfen, wo sie „frei steht“ und dem Druck des Kühlfluids ohne Stützung durch ein Teil des Statorblechpakets ausgesetzt ist - aufgedickt werden. Die Stabilisierung wird dabei so ausgeführt, dass der Rotor nach wie vor axial in die E-Maschine eingeführt werden kann. Das heißt, die Aufdickung muss auf der einen Seite radial nach innen und auf der anderen Seite radial nach außen vorgesehen werden.
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Im Lichte des vorgenannten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stator bereitzustellen, in welchem ein durch die Statornuten und damit um die Wicklungsleiter bzw. -drähte führender Strömungsraum für das Kühlfluid kostengünstig und zuverlässig bereitgestellt werden, so dass das Kühlfluid nicht in den Rotorraum und damit in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator gelangen kann.
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Diese Aufgabe wird mittels des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren und dem entsprechend damit herstellbaren Stator liegt der Ansatz zugrunde, den Stator mit einer bereits fluiddicht ausgestalteten Nutisolation jeweils stirnseitig mit einer fluiddicht mit der Nutisolation und dem umgebenden Statorgehäuse verbundenen Stirnscheibe zu versehen, welche ein Einlegeteil zur Erhöhung der Tragfähigkeit bzw. der strukturellen Bauteilstärke aufweist.
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Der Axialteil der Stirnscheibe wird durch den hydraulischen Druck des Kühlfluids belastet und sollte entsprechend stabil ausgeführt sein. Die maximal mögliche Wandstärke des Axialteils wird jedoch durch die umgebenden Bauteile begrenzt. So bestimmt der Innendurchmesser des Wickelkopfs den maximalen Außendurchmesser des Axialteils und der Außendurchmesser des Rotors bestimmt den minimalen Innendurchmesser des Axialteils. Folglich kann in Abhängigkeit des Arbeitsdrucks des durch die Kühlkanäle strömenden Kühlfluids die Tragfähigkeit des Axialteils kritisch sein. Hierfür schafft die Erfindung eine Hilfestellung und ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs der Stirnscheibe (ohne das Einlegeteil) nicht ausreichend sind, um eine in deren Axialbereich ausreichend schmale/dünne Stirnscheibe zu fertigen, dass diese im Betrieb der E-Maschine dem hydraulischen Druck des Kühlfluids Stand halten kann. Anders betrachtet ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren einen kostengünstigen, gut verarbeitbaren Werkstoff für die Stirnscheibe zu verwenden, z.B. kurzfaserverstärkter Kunststoff, so dass die geforderte Bauteilfestigkeit vom Einlegeteil kompensiert oder „aufgefangen“ werden kann.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen eines Stators bereitgestellt. Das Verfahren weist Bereitstellen eines Grundkörpers des Stators auf, welcher einen Hohlraum zur Aufnahme eines Rotors und eine Mehrzahl von axial durch den Grundkörper verlaufender Nuten zur Aufnahme einer Wicklung aufweist. Der Grundkörper kann bevorzugt ein Blechpaket aufweisen. Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Stator kann es sich um einen Stator mit einer Direktkühlung der Statorwicklung handeln.
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Das Verfahren weist ferner Bereitstellen einer Nutisolation auf, so dass jeder Nutinnenraum gegenüber dem Grundkörper elektrisch isoliert und fluiddicht ausgebildet ist. Die Nutisolationen können in jeder Nut einteilig, fluiddicht und aus einem elektrisch und vorzugsweise magnetisch nicht leitendem Material ausgebildet sein, das eine hohe Durchschlagfestigkeit aufweist. Üblicherweise können hierfür Kunststoffe verwendet werden, etwa Nomex-Kapton-Nomex (NKN), das jedoch nicht fluiddicht ist, oder ein Polyetheretherketon- Polymer (PEEK), das sowohl fluiddicht wie auch elektrisch isolierend ist. Generell können die Nutisolationen direkt eingespritzt oder separat gefertigt und in die Nuten eingeschoben/eingelegt werden.
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Das Verfahren weist ferner Ausbilden jeweils einer Stirnscheibe an jeder der beiden Stirnseiten des Grundkörpers auf, wobei die Stirnscheiben fluiddicht an dem Grundkörper angebracht sind, so dass kein Fluid zwischen die Stirnscheibe und den Grundkörper zum Hohlraum des Grundkörpers bzw. des Stators gelangen kann. Ferner weisen die Stirnscheiben einen radialen Teil (Radialteil) und einen axialen Teil (Axialteil) auf, wobei der axiale Teil ein Einlegeteil aufweist. Bei dem Einlegeteil handelt es sich um ein strukturverstärkendes Einlegeteil, welches dem axialen Teil der Stirnscheibe gegenüber seiner Herstellung aus dem Material des radialen Teils der Stirnscheibe mehr Bauteilfestigkeit verleiht. Das Einlegeteil kann sich über die gesamte axiale Ausdehnung des axialen Teils der Stirnscheibe erstrecken oder über einen Teil davon. Beispielsweise kann es sich bei dem Einlegeteil um einen strukturstabilen Hohlzylinder, insbesondere einen strukturstabileren Hohlzylinder im Vergleich zu einem gleichen Hohlzylinder, welcher aus dem Material der Stirnscheibe gefertigt ist, handeln, welcher einen Teil des axialen Teils der Stirnscheibe ausmacht oder diesem entspricht. Folglich kann das Einlegeteil als ein den axialen Teil der Stirnscheibe verstärkendes „Korsett“ betrachtet werden.
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Unter dem Ausbilden der Stirnscheiben kann sowohl ein tatsächliches Ausbilden im Sinne einer grundlegenden Herstellung der Stirnscheiben aus einem Material, etwa durch Spritzgießen, als auch ein Ausbilden im Sinne eines Befestigens oder Anbringens von bereits vorgefertigten Stirnscheiben oder Stirnscheibenteilen an den Stator, das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt, verstanden werden. Im letzteren Fall können der axiale Teil und der radiale Teil getrennt voneinander an den Grundkörper befestigt oder angebracht werden. Beispielsweise kann der axiale Teil der Stirnscheibe ein separates Bauteil darstellen und kann nachgelagert fluiddicht an den zuerst an den Grundkörper fluiddicht befestigten radialen Teil der Stirnscheibe fluiddicht angebracht werden.
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Die Stirnscheiben sind fluiddicht am Grundkörper angebracht, so dass kein Fluid radial zwischen die Stirnscheibe und den Grundkörper und damit in den Luftspalt zwischen Stator und in diesen eingesetzten Rotor gelangen kann. Da die elektrischen Leiter der Statorwicklung an den Stirnscheiben anliegen, sind die Stirnscheiben ebenfalls aus einem elektrischen Isolator gefertigt, beispielsweise Kunststoff, ggf. faserverstärkt. Die Stirnscheiben weisen einen Axial- und einen Radialbereich bzw. einen axialen und einen radialen Teil auf, wobei sich der axiale Teil entlang (jedoch parallel versetzt) der Längsachse des Stators erstreckt und sich der radiale Teil entsprechend senkrecht dazu erstreckt. So kann es sich bei dem axialen Teil der Stirnscheibe geometrisch im Wesentlichen um einen Hohlzylinder handeln, dessen Öffnungen parallel zu den Öffnungen des Statorraumes angeordnet sind. Bei dem radialen Teil der Stirnscheibe kann es sich geometrisch im Wesentlichen um eine Kreisscheibe mit einer konzentrischen Öffnung handeln, die parallel zu den zu den Öffnungen des Statorraumes angeordnet ist. Die Nutisolationen werden an den Stirnseiten des Grundkörpers mit der jeweiligen Stirnscheibe, insbesondere ihrem radialen Teil, fluiddicht verbunden. Die Verbindung kann durch Schweißen und/oder Kleben erfolgen, wenn die Bauteile Thermoplasten aufweisen. Ferner können die Stirnscheiben an die Nutisolationen im Fertigungsprozess „angespritzt“ werden, also mittels Spritzgießen an die Nutisolationen angeformt.
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Der axiale Teil der Stirnscheiben ist mit einer Dichtung gegenüber dem Statorgehäuse abgedichtet. Diese Dichtung kann radial und/oder axial an der Stirnscheibe und am Statorgehäuse anliegen. Die fluiddichte Anbringung der Stirnscheiben axial am Blechpaket kann beispielsweise durch deren Anspritzen an die Stirnseite des Grundkörpers, durch separates Fertigen und Ankleben (lokal als Ring oder vollflächig, beispielsweise mit einer ringförmigen Klebematte) oder durch separates Fertigen in Verbindung mit einer konventionellen Dichtung (O-Ring, Flachdichtung, usw.) erfolgen.
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Durch das fluiddichte Ausführen der Nutisolationen und der deren fluiddichte Anbringung an die Stirnscheiben entsteht ein Strömungsraum im Bereich der Wickelköpfe und innerhalb der Nuten, der gegenüber dem Rotorraum fluiddicht ist. Dieser wird zum Abführen der an der Wicklung entstehenden Verlustwärme von einem elektrisch nicht leitenden Fluid durchströmt. Die Begrenzung des Strömungsbereichs ist im Wickelkopf-Bereich durch das Gehäuse und die Stirnscheibe vorgegeben. Im Bereich der Nuten ist der Strömungsbereich durch die Nutisolation begrenzt. Die Wicklung kann so nahezu vollständig von dem Kühlfluid umströmt und dadurch ideal gekühlt werden.
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In einem weiteren Schritt kann das erfindungsgemäße Verfahren Einbringen von Leitern (z.B. Kupferleitern) in die Nuten des Grundkörpers aufweisen. Diese werden dann gemäß dem gewünschten Verschaltungsschema miteinander elektrisch kontaktiert und bilden die Statorwicklung.
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Es sei drauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren, mit Ausnahme des Merkmals, dass der axiale Teil der Stirnscheibe das Einlegeteil aufweist, dem in der deutschen Patentanmeldung
DE10 2017 102 141 A1 ausgeführt werden kann.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Schritt des Ausbildens der Stirnscheibe Herstellen der Stirnscheibe durch mindestens teilweises Umspritzen von Materialfasern mit einem Material der Stirnscheibe, wobei die umspritzten Materialfasern das Einlegeteil ausbilden, und fluiddichtes Anbringen jeweils einer Stirnscheibe an jede der beiden Stirnseiten des Grundkörpers aufweisen. Das Einlegeteil kann hierbei reine Fasern aufweisen, z.B. Glas-, Kohlenstoff-, Aramidfasern usw. Beim Umspritzen werden zugleich die Fasern getränkt.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Schritt des Ausbildens der Stirnscheibe Herstellen der Stirnscheibe durch Umspritzen des Einlegeteils mit einem Material der Stirnscheibe, wobei das Einlegeteil einen faserverstärkten Kunststoffverbund aufweist, und fluiddichtes Anbringen jeweils einer Stirnscheibe an jede der beiden Stirnseiten des Grundkörpers aufweisen. Das Einlegteil kann hierbei als separat hergestelltes Teil vorliegen und beispielsweise einen faserverstärkten Kunststoffverbund aufweisen. Das Umspritzen des Einlegeteils vom Stirnscheibenmaterial kann teilweises Umspritzen (z.B. Anspritzen) oder vollständiges Umspritzen aufweisen. Ferner kann das zumindest teilweise Umspritzen des Einlegeteils unmittelbar am Stator erfolgen, wodurch zugleich die Stirnscheibe in ihrer Gänze oder zumindest der axiale Teil davon an den Grundkörper gespritzt wird.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Oberfläche des Einlegeteils einer Oberfläche der Stirnscheibe entsprechen. Anders ausgedrückt muss das Einlegeteil nicht vollständig vom Stirnscheibenmaterial umspritzt werden oder sein, sondern kann bei der Herstellung des entsprechenden Stators oder der Stirnscheibe auch angespritzt werden, so dass eine seiner Oberflächen zumindest teilweise freiliegt. In einem Ausführungsbeispiel kann das Einlegeteil radial innen liegen, also eine dem Innenraum des Stators zugewandte Oberfläche der Stirnscheibe ausbilden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Einlegeteil mit einer sehr guten Oberfläche an der Innenseite ausgeführt werden kann oder diese aufweist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Einlegeteil radial außen liegen, also eine dem Innenraum des Stators abgewandte Oberfläche oder anders ausgedrückt eine dem im Bereich des Wickelkopfes liegenden Teil der Kühlkanäle zugewandte Oberfläche der Stirnscheibe ausbilden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Oberfläche des Einlegeteils von geringerer Qualität ist. Durch die Wahl einer der Ausführungsbeispiele kann sichergestellt werden, dass die radiale Dichtfläche von hoher Oberflächenqualität ist und die Dichtwirkung sicher gewährleistet werden kann. In Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung des Stators kann die eine oder andere Ausführung vorteilhaft sein. Unter einer guten bzw. schlechten Qualität der Oberfläche kann ihre Eignung bezüglich eines aus den zuvor erläuterten Verfahren zum Anbringen der Stirnscheibe an die Nutisolationen und/oder den Grundkörper gemeint sein.
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Zusätzlich können die Eigenschaften der beteiligten Materialien, also des Materials der Stirnscheibe und des Materials des Einlegeteils, geschickt ausgenutzt werden. Es ist wichtig, dass im Betrieb das Einlegeteil und das Stirnscheibenmaterial nicht voneinander abheben. Liegt beispielsweise bei der Fertigung eine hohe Temperatur vor und das Einlegeteil hat eine höhere Wärmeausdehnung als das Stirnscheibenmaterial, dann kann das Einlegeteil radial außen am Axialteil der Stirnscheibe anliegen, da es dann immer auf das Stirnscheibenmaterial „aufgeschrumpft“ ist bzw. sich zum Stirnscheibenmaterial hin wölbt. Liegt hingegen das Einlegeteil radial innen und es liegt bei der Fertigung eine hohe Temperatur vor, so kann entsprechend die Wärmeausdehnung des Einlegeteils bevorzugt geringer sein als die Wärmeausdehnung des Stirnscheibenmaterials.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann der Schritt des Ausbildens der Stirnscheibe fluiddichtes Anbringen des radialen Teils der Stirnscheibe an die entsprechende Stirnseite des Grundkörpers und fluiddichtes Anbringen des Einlegeteils an den radialen Teil der Stirnscheibe aufweisen. Bei dieser Ausführungsform entspricht das Einlegeteil dem Axialteil der Stirnscheibe und wird separat gefertigt. Hierzu können beispielsweise die in Kunststoffharz getränkten Fasern auf einen Dorn gewickelt und ausgehärtet werden. Nachdem der Radialteil der Stirnscheibe gemäß einem der bereits beschriebenen Verfahren fluiddicht an die Stirnseite des Grundkörpers angebracht worden ist, kann anschließend das separate gefertigte Einlegeteil fluiddicht mit dem Radialteil der Stirnscheibe verbunden werden, z.B. mittels Kleben oder Schweißen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann zusätzlich eine radial umlaufende Fuge in dem Radialteil der Stirnscheibe ausgebildet sein, in welche das Einlegeteil mit einem seiner Enden eingesetzt wird und in dieser Position verklebt oder verschweißt werden kann, wodurch dem Einlegeteil noch mehr Halt bei seiner Anbringung an den Radialteil gegeben werden kann.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Stator einer elektrischen Antriebsmaschine bereitgestellt, welcher insbesondere mittels des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann. Der nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Stator kann somit alle in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren beschriebenen strukturräumlichen Merkmalme oder den funktionalen Merkmalen des Herstellungsverfahrens entsprechende strukturräumlichen Merkmale aufweisen und umgekehrt.
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Der erfindungsgemäße Stator weist einen Grundkörper, welcher bevorzugt einem Statorblechpaket entspricht, mit einem Hohlraum zur Aufnahme eines Rotors und einer Mehrzahl von axial durch den Grundkörper verlaufender Nuten zur Aufnahme einer Wicklung auf, deren Innenraum gegenüber dem Grundkörper elektrisch isoliert und fluiddicht ausgebildet ist. An jeder Stirnseite des Stators ist jeweils eine Stirnscheibe ausgebildet, die fluiddicht an dem Grundkörper angebracht ist, so dass kein Fluid zwischen die Stirnscheibe und den Grundkörper zum Hohlraum des Grundkörpers gelangen kann. Die Stirnscheibe weist einen radialen Teil und einen axialen Teil auf und der axiale Teil weist, wie bereits zuvor beschrieben, das Einlegeteil auf.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Stators kann das Einlegeteil vom Material der Stirnscheibe umspritzte Werkstofffasern aufweisen. Dabei sind die Werkstofffasern zugleich von dem Material des Einlegeteils durchtränkt.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Stators kann das Einlegeteil einen faserverstärkten Kunststoffverbund aufweisen. Dabei kann das Einlegeteil die Form eines dünnen Hohlzylinders aufweisen und vollständig in dem axialen Teil der Stirnscheibe eingebettet, etwa umspritzt sein, oder es kann nur teilweise umspritzt sein. Generell kann das Einlegeteil ausschließlich an oder in dem Axialteil der Stirnscheibe angeordnet bzw. angebracht sein oder auch bis in den Radialteil hineinragen. Letzterer Fall liegt vor, wenn das Einlegeteil in einen Bereich der Stirnscheibe hineinragt, welcher durch eine Fortsetzung der beiden Oberflächen des Radialteils der Stirnscheibe im radial außenliegenden Bereich, also zur Außenseite des Stators hin, in den radial innenliegenden Bereich, also zum Innenraum des Stators hin, begrenzt wird. Die Wahl der Anordnung des Einlegeteils kann dem Einzelfall angepasst werden unter Berücksichtigung von geometrischen Abmessungen und Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien, um zwei Beispiele von möglichen Bestimmungsparametern zu nennen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Stators kann eine Oberfläche des Einlegeteils einer Oberfläche der Stirnscheibe entsprechen. Anders ausgedrückt liegt dann eine Oberfläche des Einlegeteils frei, da das Einlegeteil nicht vollständig vom Material der Stirnscheibe umgeben ist. Dabei kann das Einlegeteil radial außen oder radial innen am Axialteil der Stirnscheibe anliegen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Stators kann das Einlegeteil dem axialen Teil der Stirnscheibe entsprechen. Anders ausgedrückt kann das Einlegeteil den Axialteil der Stirnscheibe ausmachen und zum einen fluiddicht mit dem Grundkörper und zum anderen mit dem Radialteil der Stirnscheibe verbunden sein.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der erfindungsgemäße Stator mit einem hochperformanten Direktkühlsystem versehen, welches eine Mehrzahl von Kühlkanälen umfasst, wobei jeder Kühlkanal durch eine Nut des Stators verläuft und einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, die jeweils im Bereich des Wickelkopfes angeordnet sind. Damit kann der erfindungsgemäße Stator zum Herstellen einer elektrischen Maschine mit einer Direktkühlung der Wicklung verwendet werden. Das Kühlfluid wird exakt dort geführt, wo die maßgeblichen Verluste entstehen. Ferner können kostengünstige Materialien und Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen. Die Herstellungskosten sind erheblich geringer als bei den Direktkühlungsvarianten mit Liner oder Spaltrohr. Der erfindungsgemäße Stator bietet eine hohe Robustheit in der Fertigung und im Betrieb. Ferner ist zu betonen, dass ein beliebiges Paketierungsverfahren für die Paketierung des Statorblechpakets zum Einsatz kommen kann, da das Statorblechpaket selbst nicht dicht sein muss und auf der axialen Länge keine Bauteile tragen muss. Das Blechpaket kann z.B. geschweißt oder stanzpaketiert sein. Diese Verfahren sind erheblich kostengünstiger als z.B. die Paketierung mittels Backlack. Der erfindungsgemäße Stator kann mit oder ohne zusätzliche Abdichtung im Luftspalt erfolgen. Die zusätzliche Abdichtung im Luftspalt wird gewählt, um eine zusätzliche Sicherheit zu bieten, dass kein Fluid in den Rotorraum und damit in den Luftspalt gelangen kann. Bei Ausführungsformen ohne zusätzliche Abdichtung im Luftspalt befindet sich dort kein Bauteil. Folglich kann der Luftspalt sehr klein gewählt werden, was zu einer höheren Leistungsfähigkeit und höheren Wirkungsgraden der Maschine führt.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und bei dem erfindungsgemäßen Stator wird eine erhebliche Steigerung der Tragfähigkeit erreicht durch höhere Robustheit und das damit verbundene geringere Ausfallrisiko der elektrischen Maschine und durch die Möglichkeit der Verwendung von höheren Drücken im Kühlfluidsystem. Daraus folgt eine größere Flexibilität hinsichtlich der eingesetzten Kühlfluide, welche insbesondere eine höhere Viskosität aufweisen können. Außerdem können die Volumenströme gesteigert und damit die abgeführte Wärmemenge erhöht werden. Zusätzlich kann eine sehr gute Oberfläche im Dichtbereich erreicht werden. Dies ist erforderlich und hilfreich, um die Dichtungen sicher montieren zu können und um die Dichtheit der elektrischen Maschine in allen Betriebsbereichen und über ihre Lebensdauer sicher gewährleisten zu können.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Stators mit eingeschobener Nutisolation.
- 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Stators mit eingeschobener Nutisolation und Stirnscheibe.
- 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Stators mit eingeschobener Nutisolation, Stirnscheibe und in die Nuten eingebrachten elektrischen Leitern der Statorwicklung.
- 4A zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Stators entlang seiner Längsachse.
- 4B zeigt eine Querschnittsansicht des in 4A gezeigten Teils des erfindungsgemäßen Stators senkrecht zu seiner Längsachse im Radialschnitt B-B.
- 4C zeigt eine Querschnittsansicht des in 4A gezeigten Teils des erfindungsgemäßen Stators senkrecht zu seiner Längsachse im Radialschnitt C-C.
- 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Stirnseite des erfindungsgemäßen Stators.
- 6 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Stirnseite des erfindungsgemäßen Stators.
- 7 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Stirnseite des erfindungsgemäßen Stators.
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In den 1-3 sind perspektivische Ansichten eines Teils eines erfindungsgemäßen Stators gezeigt. Die unterschiedlichen Ansichten veranschaulichen unterschiedliche Phasen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens. In einem ersten Schritt, welcher dem Zustand des in 1 gezeigten Stators vorausgeht, wird der Grundkörper 1 des Stators bereitgestellt, wobei der Grundkörper 1 einen Hohlraum zur Aufnahme eines Rotors und eine Mehrzahl von axial durch den Grundkörper 1 verlaufender Nuten 2 zur Aufnahme einer Wicklung aufweist. In einem nächsten Schritt weist das erfindungsgemäße Verfahren Bereitstellen einer Nutisolation 3 auf, so dass jeder Nutinnenraum gegenüber dem Grundkörper 1 elektrisch isoliert und fluiddicht ausgebildet ist. Der Zustand des Stators in dieser Phase des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist in 1 veranschaulicht. Die Nutisolationen 3 können in die Statornuten 2 eingespritzt oder als fertige Hülsen in diese eingelegt werden.
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In einem nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, welcher in 2 veranschaulicht ist, wird jeweils einer Stirnscheibe 4 an jeder der beiden Stirnseiten des Grundkörpers 1 angeordnet, wobei jede Stirnscheibe 4 fluiddicht an dem Grundkörper 1 angebracht ist, so dass kein Fluid zwischen die Stirnscheibe 4 und den Grundkörper 1 zum Hohlraum des Stators gelangen kann. Dabei weist die Stirnscheibe 4 einen radialen Teil 5 und einen axialen Teil 6 auf, wobei der axiale Teil 6 ein Einlegeteil 8 aufweist. Wie in 2 gezeigt, erstreckt sich der radiale Teil 5 flächig auf der Stirnseite des Grundkörpers 5 in einer Ebene, die senkrecht zur axialen Ausdehnung oder Längsachse des Grundkörpers 1 liegt. Der axiale Teil 6 erstreckt sich vollumfänglich flächig parallel zur axialen Ausdehnung oder parallel zur Längsachse des Grundkörpers 1. Das Einlegeteil 8 ist gestrichelt dargestellt, da es in dem gezeigten Beispiel vollständig innerhalb des axialen Teils 6 der Stirnscheibe 4 eingebettet ist. Der in 2 gezeigte Zustand des Stators kann erreicht werden, indem beispielsweise das Einlegeteil 8 an die Stirnseite des Grundkörpers 1 angelegt und vom Werkstoff der Stirnscheibe 4 umspritzt wird. Dabei wird gleichzeitig die Stirnscheibe 4 an die Stirnseite des Grundkörpers 1 angespritzt und die Nutisolationen 3 werden fluiddicht mit der Stirnscheibe 5 verbunden (z.B. geschweißt oder geklebt). Alternativ kann das Einlegeteil 8 im Axialteil 6 der Stirnscheibe 4 eingelegt und vom Werkstoff der Stirnscheibe 4 umspritzt werden. Diese separat gefertigte Stirnscheibe 4 wird dann fluiddicht an die Stirnseite des Grundkörpers 1 angebracht und fluiddicht mit den Nutisolationen 3 verbunden.
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In 3 ist schließlich ein optionaler Schritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens veranschaulicht, bei dem die elektrischen Leiter 7 einer Wicklung - im gezeigten Beispiel sind dies Kupferleiter von sogenannten Steckspulen (Hairpin-Spulen) - in die Nuten 2 eingesetzt worden sind, woraufhin die Wicklung der elektrischen Maschine gefertigt werden kann.
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4A zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils eines beispielhaften erfindungsgemäßen Stators entlang seiner Längsachse L. Entsprechend dazu sind in den 4B, 4C Querschnittsansichten des in 4A gezeigten Teils des erfindungsgemäßen Stators senkrecht zu der in 4A gezeigten Ansicht gezeigt im Radialschnitt B-B bzw. C-C, die beide in 4A angedeutet sind.
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Zur Bereitstellung der Direktkühlung der Wicklung ist im Stator ein Strömungsraum um die elektrischen Leiter 7 ausgebildet, welcher eine erste Kammer 10A, eine zweite Kammer 10B und den dazwischen liegenden Innenraum der entsprechenden Nut 2 umfasst, der nicht von den elektrischen Leitern 7 eingenommen ist. Letzterer entspricht den Zwischenräumen zwischen den elektrischen Leitern 7 innerhalb der Nuten 2, die besonders gut in den 4B und 4C zu sehen sind. Die erste Kammer 10A und die zweite Kammer 10B umfassen dabei jeweils einen Wickelkopf 14 der Wicklung. Eine mögliche Fluidströmung, welche im Betrieb einer auf Basis des erfindungsgemäßen Stators aufgebauten elektrischen Maschine mittels einer Pumpe bereitgestellt wird, ist durch Pfeile 11 angedeutet, wobei die Strömungsrichtung selbstverständlich willkürlich gewählt ist. Der Strömungsraum ist gegenüber dem Hohlraum 12 bzw. Rotorraum zur Aufnahme des Rotors (nicht in den Figuren gezeigt) fluiddicht ausgestaltet, so dass das Kühlfluid nicht in den Rotorraum und damit in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator gelangen kann.
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Die Stirnscheiben, wovon jede einen radialen Teil 5 und einen axialen Teil 6 aufweist, sind fluiddicht am Grundkörper 1 des Stators angebracht (beispielsweise durch Schweißen, Kleben oder Anspritzen des Werkstoffs der Stirnscheibe 5), so dass kein Fluid radial zwischen die Stirnscheibe 4 und den Grundkörper 1 damit in den Luftspalt gelangen kann, welcher in 4A dem obersten Teil des Hohlraums 12 entspricht. Der axiale Teil 6 der Stirnscheiben 4 ist mit einer Dichtung 9 gegenüber dem Gehäuse 13 des Stators abgedichtet. Im gezeigten Beispiel liegt die Dichtung radial an der Stirnscheibe 4 an, insbesondere an ihrem axialen Teil 6 und dem Gehäuse 13. Die Dichtung 9 kann generell zusätzlich oder alternativ axial an der Stirnscheibe und am Gehäuse 13 anliegen.
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In dem in den 4A gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stators weist der axiale Teil 6 der Stirnscheibe 4 das Einlegeteil 8 auf zur Erhöhung ihrer Strukturfestigkeit. Das Einlegeteil 8 ist in dem axialen Teil 6 der Stirnscheibe 4 eingespritzt. Wie bereits beschrieben, kann das Einlegeteil 8 reine Fasern (Glas-, Kohlenstoff-, Aramidfasern usw.) aufweisen, die beim Umspritzen mit dem Material der Stirnscheibe 4 getränkt worden sind. Alternativ kann das Einlegteil 8 einen faserverstärkten Kunststoffverbund aufweisen, der vom Stirnscheibenwerkstoff umspritzt ist. In dem in 4A gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich das Einlegeteil 8 (bevorzugt vollumfänglich) ausschließlich im axialen Teil 6 der Stirnscheibe 4.
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In den 5-7 sind Querschnittsansichten weiterer Ausführungsbeispiele einer Stirnseite des erfindungsgemäßen Stators gezeigt. Da die Ansichten in den 5-7 in Grundzügen als Teilansichten in 4A enthalten sind, werden gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht erneut im Detail beschrieben.
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Die in den 5 und 6 veranschaulichten erfindungsgemäßen Statoren unterscheiden sich dahingehend von dem in 4A gezeigten Stator, dass zum einen das Einlegeteil 8 bis in den radialen Teil 5 der Stirnscheibe 4 hineinragt. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass sich auch analog bei dem in 4A gezeigten Ausführungsbeispiel das Einlegeteil 8 in den radialen Teil 5 der Stirnscheibe 4 hinein erstrecken kann. Ferner ist in den 5 und 6 das Einlegeteil 8 nicht vollständig vom Stirnscheibenmaterial umspritzt, sondern nur „angespritzt“. Das hat zur Folge, dass eine Oberfläche des Einlegeteils 8 einer Oberfläche der Stirnscheibe 4 entspricht, genauer gesagt einer Oberfläche des axialen Teils 6 der Stirnscheibe 4. In 5 ist das Einlegeteil 8 radial innenliegend an dem axialen Teil 6 angeordnet und in 6 ist der umgekehrte Fall gezeigt, bei dem das Einlegeteil 8 radial außenliegend an dem axialen Teil 6 der Stirnscheibe 4 angeordnet ist. Die Begriffe „radial außen“ und „radial innen“ beziehen sich auf die radiale Lage relativ zur Längsachse L des Stators bzw. des Rotorraums 12.
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7 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Stirnseite des erfindungsgemäßen Stators. Hier entspricht der axiale Teil 6 der Stirnscheibe 4 dem Einlegeteil 8, so dass der axiale Teil 6 kein Material der Stirnscheibe 4 aufweist. Hierzu kann das Einlegeteil 8 separat gefertigt und auf einem der bereits beschriebenen Wege fluiddicht mit der zuvor an die Stirnseite des Grundkörpers 1 angebrachten radialen Teil 5 der Stirnscheibe 4 verbunden werden (z.B. durch Kleben oder Anschweißen).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010055821 B4 [0003]
- DE 102016101705 A1 [0003]
- DE 102017102141 [0005]
- DE 102017102141 A1 [0018]