DE102024116337A1

DE102024116337A1 - Stator and electric machine

Info

Publication number: DE102024116337A1
Application number: DE102024116337.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Pisek; Peter Sever
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2024-06-11
Filing date: 2024-06-11
Publication date: 2025-12-11
Also published as: WO2025257067A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator (1) für eine elektrische Maschine (2) mit mehreren den Stator (1) durchlaufenden Durchgangsöffnungen (4) zur Aufnahme von Statorwicklungen (5).
Um dabei einen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine (2) zu erhöhen, ist vorgesehen,
- dass in zumindest einer Durchgangsöffnung (4) radial innerhalb der in der Durchgangsöffnung (4) aufgenommenen Statorwicklung (5) ein Kühlkanal (6) für ein Kühlmedium angeordnet ist,
- dass der Kühlkanal (6) radial nach innen durch eine Brücke (8) begrenzt ist,
- dass je Kühlkanal (6) zwei radial nach innen zu einer Innenmantelfläche (9) des Stators (1) hin offene Nuten (10) zur Abführung von Kühlmedium aus einem zwischen einer Innenmantelfläche (9) des Stators (1) und einem Rotor (11) angeordneten Luftspalt (12) vorgesehen sind, wobei die Nuten (10) die Brücke (8) in Umfangsrichtung (13) begrenzen. The present invention relates to a stator (1) for an electric machine (2) with several through-openings (4) passing through the stator (1) for receiving stator windings (5).
In order to increase the efficiency of the electrical machine (2), it is planned that
- that a cooling channel (6) for a cooling medium is arranged radially within at least one through-opening (4) within the stator winding (5) received in the through-opening (4),
- that the cooling channel (6) is limited radially inwards by a bridge (8),
- that each cooling channel (6) has two grooves (10) open radially inwards towards an inner surface (9) of the stator (1) for the discharge of cooling medium from an air gap (12) arranged between an inner surface (9) of the stator (1) and a rotor (11), wherein the grooves (10) limit the bridge (8) in the circumferential direction (13).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine mit mehreren, den Stator durchlaufenden Durchgangsöffnungen zur Aufnahme von Statorwicklungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine, mit einem solchen Stator und einem Rotor.The present invention relates to a stator for an electric machine with several through-openings extending through the stator for receiving stator windings, according to the preamble of claim 1. The invention further relates to an electric machine comprising such a stator and a rotor.

Aus der US 2021 / 0 218 293 A1 ist ein gattungsgemäßer Stator für eine elektrische Maschine mit diesen in Axialrichtung durchlaufenden Durchgangsöffnungen zur Aufnahme von Statorwicklungen bekannt. Die Durchgangsöffnungen sind dabei zu einer Innenmantelfläche hin mittels einer Brücke geschlossen ausgebildet.From the US 2021 / 0 218 293 A1 A stator of this type for an electric machine is known, featuring axially continuous through-holes for receiving stator windings. The through-holes are closed to an inner surface by means of a bridge.

Aus der JP 2020-10553 A ist wiederum ein Stator für eine elektrische Maschine mit in Axialrichtung den Stator durchlaufenden Durchgangsöffnungen bekannt, wobei die Durchgangsöffnungen zu einer Innenmantelfläche hin geschlossen ausgebildet sind.From the JP 2020-10553 A A stator for an electric machine is known with through-holes running through the stator in the axial direction, wherein the through-holes are closed towards an inner surface.

Auch aus der EP 3 288 155 A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine mit Durchgangsöffnungen bekannt, wobei diese Durchgangsöffnungen zu einer Innenmantelfläche hin mittels einer Brücke geschlossen sind.Also from the EP 3 288 155 A1 A stator for an electric machine with through-holes is known, wherein these through-holes are closed to an inner surface by means of a bridge.

Gattungsgemäße Statoren für elektrische Maschinen sind hinlänglich bekannt, wobei sich bei jedem Stator mit diesen in Axialrichtung durchlaufenden Durchgangsöffnungen und diese Durchgangsöffnungen zu einer Innenmantelfläche hin schließenden Brücken der Zielkonflikt ergibt, dass jede dieser Brücken einen magnetischen Kurzschluss bildet, d.h., dass der Strom in der Statorwicklung vergleichsweise viel magnetischen Fluss erzeugt, der sich über die Brücke schließt und den Rotor, an welchem er eine Antriebsleistung erbringen soll, nicht erreicht. Rein theoretisch können auch zur Innenmantelfläche des Stators hin offene Durchgangsöffnungen bzw. Nuten zur Aufnahme von Statorwicklungen vorgesehen werden, die mit Nutverschlusselementen, beispielsweise aus Kunststoff, verschlossen werden, um den magnetischen Kurzschluss zu minimieren, was jedoch teuer ist. Um den Magnetfluss darüber hinaus möglichst optimal über den Luftspalt in den Rotor übertragen zu können, sollten die Durchgangsöffnungen in Umfangsrichtung auch nicht zu breit sein. Ein weiterer Nachteil bei aus dem Stand der Technik bekannten und zu einer Innenmantelfläche hin geschlossenen Durchgangsöffnungen für Statorwicklungen in einem Stator ergibt sich dadurch, dass beispielsweise Kühlmittel zum Kühlen des Stators in einen Luftspalt zwischen Rotor und Stator gelangen und von dort nicht oder nur sehr schwierig wieder abgeführt werden kann, wodurch die Leistung einer mit einem solchen Stator ausgestatteten elektrischen Maschine beeinträchtigt wird.Stators of this type for electrical machines are well known. However, in every stator with axially oriented through-holes and bridges that close onto an inner surface, a conflict arises: each of these bridges forms a magnetic short circuit. This means that the current in the stator winding generates a comparatively large magnetic flux, which closes across the bridge and does not reach the rotor, where it is intended to deliver drive power. Theoretically, through-holes or slots open onto the inner surface of the stator could also be provided to accommodate stator windings. These could be closed with slot closures, for example made of plastic, to minimize the magnetic short circuit, but this is expensive. Furthermore, to ensure the most efficient transfer of magnetic flux across the air gap to the rotor, the through-holes should not be too wide in the circumferential direction. A further disadvantage of through-holes for stator windings in a stator, known from the prior art and closed towards an inner surface, arises from the fact that, for example, coolant for cooling the stator can enter an air gap between rotor and stator and cannot be removed from there, or only with great difficulty, which impairs the performance of an electric machine equipped with such a stator.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Stator der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine kostengünstiger herzustellende elektrische Maschine mit hoher Leistung ermöglicht.The present invention therefore deals with the problem of providing an improved or at least an alternative embodiment for a stator of the generic type, which in particular enables a high-performance electrical machine that can be manufactured more cost-effectively.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brücke zum Verschließen einer einen Stator vorzugsweise axial durchlaufenden Durchgangsöffnungen zu einer Innenmantelfläche hin so auszubilden, dass diese einerseits einen magnetischen Streuverlust zumindest minimiert und eine Kühlung des Stators sowie ein Abführen von in einem zwischen dem Stator und einem Rotor eingebrachtem Kühlfluid zumindest verbessert. Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor oder einen Traktionsmotor für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, weist mehrere den Stator vorzugsweise in Axialrichtung durchlaufende Durchgangsöffnungen zur Aufnahme von Statorwicklungen auf, die in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind. Diese Durchgangsöffnungen sind dabei zu einer Innenmantelfläche des Stators hin über eine Brücke verschlossen, wobei diese Brücke nicht direkt in Umfangsrichtung verläuft, sondern abgewinkelt bzw. schräg oder in Schlangenlinien, das heißt sowohl in Radialrichtung als auch in Umfangsrichtung, wodurch sich die Länge dieser Brücke verlängert und dadurch ein magnetischer Streuverlust zumindest reduziert wird. In zumindest einer der Durchgangsöffnungen ist dabei radial innerhalb der in der Durchgangsöffnung aufgenommenen Statorwicklung ein Kühlkanal für ein Kühlmedium angeordnet, der radial nach au-ßen durch die Statorwicklung und radial nach innen durch die zuvor erwähnte Brücke begrenzt ist. Je Kühlkanal sind dabei zwei radial nach innen zur Innenmantelfläche des Stators hin offene Nuten angeordnet, die einerseits der Abführung von Kühlmedium aus einem zwischen der Innenmantelfläche des Stators und einem Rotor angeordneten Luftspalt dienen und zugleich die Brücke in Umfangsrichtung begrenzen und deren Gesamtlänge verlängern. Durch den Kühlkanal und die beiden von der Innenmantelfläche des Stators abgehenden Nuten wird die Brücke bogenförmig bzw. abgewinkelt ausgebildet und dadurch verlängert, was dazu beiträgt, den magnetischen Streuverlust zu reduzieren bzw. eine Magnetflussbarriere zu vergrößern und dadurch den Übertrag des magnetischen Flusses auf den Rotor zu erhöhen. Das im Kühlkanal strömende Kühlmedium trägt dazu bei, den Stator zu kühlen und dadurch die Leistung der elektrischen Maschine zu erhöhen. Da die Brücke zugleich eine Wandung des Kühlkanals hin zum Rotor bildet, kann die vom Kühlmedium ausgehende Kühlwirkung zumindest teilweise auch an den Rotor übertragen werden. Durch die zwei zur Innenmantelfläche hin offene Nuten kann insbesondere unbeabsichtigt in den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator gelangendes Kühlmedium wieder abtransportiert werden, wodurch sogenannte Schleppverluste reduziert und der Wirkungsgrad einer mit dem erfindungsgemäßen Stator ausgestatteten elektrischen Maschine gesteigert werden können. Die beiden zur Innenmantelfläche des Stators hin offene Nuten dienen dabei jedoch nicht nur zur verbesserten Abführung von Kühlmedium aus dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator, sondern ermöglichen es auch, die Brücke an sich dünner zu gestalten, wodurch der magnetische Kurzschluss weiter reduziert werden kann. Durch die beiden Nuten kann auch die Länge der Brücke verlängert und dadurch ebenfalls die Größe des magnetischen Kurzschlusses reduziert werden. Um dabei die Magnetflussbarriere über die Brücke möglichst hoch zu halten, wird deren Dicke so gering wie möglich gewählt, beispielsweise lediglich begrenzt durch eine beim Stanzen einzelner Statorbleche erforderliche Mindestdicke. Je dünner die Brücke ausgebildet wird, umso höher ist dabei die hierdurch geschaffene Magnetflussbarriere und umso geringer ist der durch die Brücke erfolgende magnetische Kurzschluss.The present invention is based on the general concept of designing a bridge for closing through-openings, preferably axially traversing a stator, to an inner surface such that this bridge minimizes magnetic leakage loss and improves stator cooling and the dissipation of cooling fluid introduced between the stator and a rotor. The stator according to the invention for an electric machine, in particular for an electric motor or a traction motor for an electrically powered vehicle, has several through-openings, preferably axially traversing the stator, for receiving stator windings, which are spaced apart from one another circumferentially. These through-openings are closed to an inner surface of the stator by a bridge, which does not run directly circumferentially, but rather at an angle, obliquely, or in a serpentine pattern, i.e., both radially and circumferentially, thereby increasing the length of this bridge and at least reducing magnetic leakage loss. In at least one of the through-holes, a cooling channel for a cooling medium is arranged radially within the stator winding housed in the through-hole. This channel is bounded radially outwards by the stator winding and radially inwards by the aforementioned bridge. Each cooling channel has two grooves open radially inwards towards the inner surface of the stator. These grooves serve to drain cooling medium from an air gap located between the inner surface of the stator and a rotor. Simultaneously, they define the circumferential boundaries of the bridge and extend its overall length. The cooling channel and the two grooves extending from the inner surface of the stator give the bridge an arc-shaped or angled form, thus lengthening it. This helps to reduce magnetic leakage loss, increase the magnetic flux barrier, and thereby improve the transfer of magnetic flux. to increase the magnetic flux to the rotor. The cooling medium flowing in the cooling channel contributes to cooling the stator and thus increasing the power output of the electric machine. Since the bridge also forms a wall of the cooling channel towards the rotor, the cooling effect emanating from the cooling medium can be at least partially transferred to the rotor. The two slots open towards the inner surface of the stator allow any cooling medium that unintentionally enters the air gap between the rotor and the stator to be removed, thereby reducing so-called drag losses and increasing the efficiency of an electric machine equipped with the stator according to the invention. The two slots open towards the inner surface of the stator not only serve to improve the removal of cooling medium from the air gap between the rotor and stator, but also allow the bridge itself to be made thinner, further reducing the magnetic short circuit. The two slots also allow the length of the bridge to be increased, thereby also reducing the magnitude of the magnetic short circuit. To maximize the magnetic flux barrier across the bridge, its thickness is kept as small as possible, for example, limited only by the minimum thickness required when stamping individual stator laminations. The thinner the bridge, the higher the resulting magnetic flux barrier and the lower the magnetic short circuit caused by the bridge.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Stators ist ein Abstand L zweier einem zugehörigen Kühlkanal zugeordneter Nuten in Umfangsrichtung größer als die Summe der Breiten Bt der beiden Nuten in Umfangsrichtung. Eine Länge der „Brücke“ ist dabei länger als die Breite der Durchgangsöffnung oder der Schlitzöffnung, wobei der durch die Brücke erzeugte Raum als Kühlkanal unterhalb des untersten Drahtes der Statorwicklung genutzt wird.In an advantageous embodiment of the stator according to the invention, the circumferential distance L between two slots associated with a corresponding cooling channel is greater than the sum of the circumferential widths Bt of the two slots. The length of the "bridge" is longer than the width of the through-opening or the slot opening, with the space created by the bridge being used as a cooling channel below the lowest wire of the stator winding.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators sind die Nuten radial ausgerichtet oder verlaufen schräg zur Radialrichtung, wobei in letzterem Fall ein Abstand der Nuten in Radialrichtung nach außen zunimmt. Beiden Ausführungsformen ist dabei gemein, dass über die Nuten die Gesamtlänge der Brücke verlängert und dadurch die Magnetflussbarriere vergrößert wird, wodurch mehr magnetischer Fluss an den Rotor übertragen und damit die Leistung einer mit dem erfindungsgemäßen Stator ausgestatteten elektrischen Maschine gesteigert werden kann.In a particularly preferred embodiment of the stator according to the invention, the slots are radially oriented or run obliquely to the radial direction, with the latter case having an increasing distance between the slots in the radial direction towards the outside. Both embodiments have in common that the overall length of the bridge is extended by means of the slots, thereby increasing the magnetic flux barrier, which allows more magnetic flux to be transferred to the rotor and thus increases the power output of an electric machine equipped with the stator according to the invention.

Beide Ausführungsformen haben gemeinsam, dass die Gesamtlänge der Brücke effektiv länger ist als die Breite der Nut oder die Nutbreite/Breite der Durchgangsöffnung selbst, wodurch die magnetische Streuung zwischen zwei benachbarten Statorzähnen erheblich reduziert wird und mehr magnetischer Fluss auf den Rotor übertragen werden kann und somit die Leistung einer elektrischen Maschine, die mit dem erfindungsgemäßen Stator ausgestattet ist, fast die gleiche ist wie bei einem Stator mit offenem Schlitz, oder ein minimaler Drehmomentverlust erzeugt wird (ca. 1-3% des Drehmoments gehen aufgrund des geschlossenen Schlitzdesigns verloren - was ein negativer Effekt des geschlossenen Schlitzdesigns im Vergleich zum offenen Schlitz oder halboffenen Schlitz ist; Nichtsdestotrotz hat der Vorteil des Kühlkanals unterhalb des untersten Drahtes einen viel positiveren Effekt, wobei bereits durch die bessere Kühlung der Statorwicklungen mehr als 2% des Wirkungsgrades durch geringere Verluste in den Wicklungen zurückgewonnen werden, wobei ein weiterer positiver Effekt des geschlossenen Schlitzes gemäß der Erfindung die reduzierte Drehmomentwelligkeit ist.Both embodiments have in common that the overall length of the bridge is effectively longer than the width of the slot or the slot width/width of the through-hole itself, thereby significantly reducing magnetic leakage between two adjacent stator teeth and allowing more magnetic flux to be transferred to the rotor. Consequently, the power output of an electric machine equipped with the stator according to the invention is almost the same as that of a stator with an open slot, or minimal torque loss is achieved (approximately 1-3% of the torque is lost due to the closed slot design – a negative effect of the closed slot design compared to the open or half-open slot). Nevertheless, the advantage of the cooling channel below the lowest wire has a much more positive effect, with the improved cooling of the stator windings alone recovering more than 2% of the efficiency through reduced winding losses. A further positive effect of the closed slot according to the invention is the reduced torque ripple.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators ist ein Abstand L zweier einem zugehörigen Kühlkanal zugeordneter Nuten in Umfangsrichtung kleiner oder gleich groß ist wie eine Breite Sw der Durchgangsöffnung. Hierdurch kann eine Dicke der den Kühlkanal zur Innenmantelfläche hin begrenzenden Brücke minimiert und dadurch eine Magnetflussbarriere maximiert werden.In a further advantageous embodiment of the stator according to the invention, the circumferential distance L between two grooves associated with a corresponding cooling channel is less than or equal to the width Sw of the through-opening. This minimizes the thickness of the bridge bounding the cooling channel to the inner surface of the casing and thereby maximizes the magnetic flux barrier.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Breite 3t des Kühlkanals kleiner als eine Breite Sw der zugehörigen Durchgangsöffnung. Je größer dabei die Breite 3t des Kühlkanals im Vergleich zur Breite Sw der zugehörigen Durchgangsöffnung ist, umso geringer kann die Dicke der den Kühlkanal zumindest teilweise begrenzenden Brücke gewählt werden, was wiederum dazu beiträgt, die Magnetflussbarriere der Brücke zu erhöhen und dadurch einen magnetischen Kurzschluss bzw. einen magnetischen Streufluss zumindest zu minimieren.In a particularly preferred embodiment of the solution according to the invention, the width 3t of the cooling channel is smaller than the width Sw of the associated through-opening. The larger the width 3t of the cooling channel is compared to the width Sw of the associated through-opening, the smaller the thickness of the bridge that at least partially delimits the cooling channel can be, which in turn helps to increase the magnetic flux barrier of the bridge and thereby at least minimize a magnetic short circuit or magnetic leakage flux.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators ist der Stator aus einer Vielzahl einzelner ausgestanzter Statorbleche zusammengesetzt. Hierdurch ist es möglich, den Stator in Axialrichtung nahezu beliebig lang zu machen, indem einfach mehr oder weniger Statorbleche axial hintereinander gesetzt werden. Die Dicke der Brücke wird dabei vorzugsweise ausschließlich von einer für das Stanzen minimal möglichen Brückendicke begrenzt, bei welcher das jeweilige Statorblech noch zuverlässig einwandfrei hergestellt werden kann. Rein theoretisch ist es auch denkbar, die einzelnen Statorbleche mittels Laser auszuschneiden, was in der Fertigung zwar teurer ist, jedoch eine nochmalige Reduzierung der Brückendicke und damit eine nochmalige Erhöhung der Magnetflussbarriere ermöglicht.In a further advantageous embodiment of the stator according to the invention, the stator is composed of a plurality of individual stamped stator laminations. This makes it possible to make the stator almost arbitrarily long in the axial direction by simply placing more or fewer stator laminations axially one behind the other. The thickness of the bridge is preferably limited exclusively by a minimum bridge thickness possible for stamping, at which the respective stator lamination can still be reliably and flawlessly produced. Purely theoretically, it is also conceivable that Cutting individual stator laminations using a laser, which is more expensive in manufacturing, but allows for a further reduction in bridge thickness and thus a further increase in the magnetic flux barrier.

Zweckmäßig verlaufen die Kühlkanäle und damit auch die Durchgangsöffnungen sowie die Nuten parallel zur Axialrichtung oder schräg zur Axialrichtung. Ein Schrägstellungswinkel α berechnet sich dabei aus einer Division von 360° durch die Summe der Durchgangsöffnungen. Besonders die schräg verlaufenden Nuten ermöglichen dabei eine besonders effektive Abführung von Kühlmedium aus dem zwischen Rotor und Stator gelegenen Luftspalt und reduzieren zudem eine sogenannte Drehmomentwelligkeit, die ein Maß für eine ungleichmäßige Drehmomenterzeugung während der Drehung des Rotors in dem Stator beschreibt.The cooling channels, and consequently the through-holes and slots, are advantageously positioned parallel to the axial direction or at an angle to it. The angle of inclination α is calculated by dividing 360° by the sum of the through-holes. The angled slots, in particular, enable highly effective removal of the cooling medium from the air gap between the rotor and stator and also reduce torque ripple, which describes the uneven torque generation during the rotation of the rotor in the stator.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators ist eine radial nach innengewandte Oberfläche der Brücke, die zudem eine Innenwandung des Kühlkanals darstellt, auf demselben oder auf einem größeren Radius angeordnet, wie die Innenmantelfläche des Stators. Bei der zuletzt genannten Alternative ragt somit die Brücke radial nicht so weit nach innen wie die benachbarten Statorzähne, was den großen Vorteil bietet, dass die Schrägstellung auf der Statorseite erfolgt, wodurch die Notwendigkeit einer Schrägstellung auf der Rotorseite entfällt.In a further advantageous embodiment of the stator according to the invention, a radially inward-facing surface of the bridge, which also forms an inner wall of the cooling channel, is arranged on the same or a larger radius than the inner surface of the stator. In this latter alternative, the bridge does not project radially inward as far as the adjacent stator teeth, which offers the significant advantage that the inclination occurs on the stator side, thus eliminating the need for an inclination on the rotor side.

Zweckmäßig erstreckt sich die Brücke in Umfangsrichtung und in Radialrichtung, wobei eine Gesamtlänge in Umfangsrichtung und in Radialrichtung mehr als doppelt so groß ist wie eine Breite Sw der Durchgangsöffnung. Durch die dadurch verlängerte Gesamtlänge der Brücke können die Magnetflussbarriere vergrößert und ein magnetischer Kurzschluss minimiert werden.Advantageously, the bridge extends circumferentially and radially, with a total length in both directions more than twice the width Sw of the opening. This increased overall length of the bridge allows for a larger magnetic flux barrier and minimizes the risk of a magnetic short circuit.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor bzw. einen Traktionsmotor für ein Elektrofahrzeug, mit einem Rotor und einem entsprechend den vorherigen Absätzen beschriebenen Stator auszustatten. Hierdurch lassen sich die bezüglich des Stators beschriebenen Vorteile auch auf die elektrische Maschine bzw. ein damit ausgestattetes Elektrofahrzeug übertragen. Konkret handelt es sich bei diesen Vorteilen um eine verbesserte Kühlung des Stators und damit der elektrischen Maschine sowie eine Reduzierung eines magnetischen Streuflusses bzw. magnetischen Kurzschlusses über eine einen Kühlkanal zur Innenmantelfläche hin verschließenden Brücke sowie ein zuverlässiges Abführen von in einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator unerwünscht auftretendem Kühlmedium. Sämtliche Vorteile führen dabei zu einer Leistungssteigerung der elektrischen Maschine und zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades derselben.The present invention is further based on the general concept of equipping an electric machine, in particular an electric motor or a traction motor for an electric vehicle, with a rotor and a stator as described in the preceding paragraphs. This allows the advantages described with respect to the stator to be transferred to the electric machine or an electric vehicle equipped with it. Specifically, these advantages include improved cooling of the stator and thus of the electric machine, as well as a reduction of magnetic leakage flux or magnetic short circuit via a bridge that closes a cooling channel to the inner surface of the rotor, and reliable removal of any cooling medium that may undesirably accumulate in an air gap between the rotor and stator. All these advantages lead to an increase in the power output of the electric machine and an increase in its efficiency.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, the drawings and the associated description of the figures based on the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combinations specified, but also in other combinations or individually, without departing from the scope of the present invention. The components of a higher-level unit, such as a device, apparatus, or arrangement, mentioned above and those to be mentioned below, which are designated separately, can form separate parts or components of this unit or be integral areas or sections of this unit, even if this is depicted differently in the drawings.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, wherein identical reference numerals refer to identical or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch:

1 eine Ansicht auf ein Segment eines erfindungsgemäßen Stators,
2 eine Darstellung ähnlich zu 1, jedoch mit zusätzlicher Vermaßung,
3 eine Darstellung wie in 2 mit schräg zu einer Radialrichtung ausgerichteten Nuten,
4 eine Ansicht auf einen erfindungsmäßen Stator mit geradlinig in Axialrichtung verlaufenden Nuten,
5 eine Darstellung wie in 4, doch mit schräg verlaufenden Nuten,
6 eine Detaildarstellung aus 5.

Each of these shows, schematically:

1 a view of a segment of a stator according to the invention,
2 a representation similar to 1 , however with additional dimensions,
3 a representation as in 2 with grooves oriented obliquely to a radial direction,
4 a view of a stator according to the invention with grooves extending in a straight axial direction,
5 a representation as in 4 , but with slanted grooves,
6 a detailed representation from 5 .

Entsprechend den 1 bis 6 weist ein erfindungsgemäßer Stator 1 für eine elektrische Maschine 2, insbesondere für einen Elektromotor oder einen Traktionsmotor für ein Elektrofahrzeug, mehrere den Stator 1 vorzugsweise in Axialrichtung 3 durchlaufende Durchgangsöffnungen 4 (vergleiche insbesondere die die 4) zur Aufnahme von Statorwicklungen 5 auf (vgl. 1). Entsprechend den 1 bis 3 verläuft dabei die Axialrichtung 3 senkrecht zur Bildebene. Bei der 5 verlaufen die einzelnen Durchgangsöffnungen 4 zur Aufnahme der Statorwicklungen 5 schräg zur Axialrichtung 3. In zumindest einer der gezeigten Durchgangsöffnungen 4, vorzugsweise in allen Durchgangsöffnungen 4, ist dabei radial innerhalb der in der Durchgangsöffnung 4 aufgenommenen Statorwicklung 5 ein Kühlkanal 6 für ein Kühlmedium angeordnet. Der Kühlkanal 6 ist dabei radial nach innen, d. h. in Radialrichtung 7 nach innen durch eine Brücke 8 begrenzt. Je Kühlkanal 6 sind dabei zwei in Radialrichtung 7 nach innen zu einer Innenmantelfläche 9 des Stators 1 hin offene Nuten 10 zur Abführung von Kühlmedium aus einem zwischen der Innenmantelfläche 9 des Stators 1 und einem Rotor 11 angeordneten Luftspalt 12 vorgesehen, wobei die Nuten 10 die Brücke 8 in Umfangsrichtung 13 begrenzen.According to the 1 to 6 A stator 1 according to the invention for an electric machine 2, in particular for an electric motor or a traction motor for an electric vehicle, has several through-openings 4 extending through the stator 1, preferably in the axial direction 3 (compare in particular the 4 ) for receiving stator windings 5 (see 1 ). According to the 1 to 3 The axial direction 3 runs perpendicular to the image plane. In the 5 The individual through-openings 4 for receiving the stator windings 5 run obliquely to the axial direction 3. In at least one of the through-openings 4 shown, preferably in all through-openings 4, a cooling channel 6 for a cooling medium is arranged radially within the stator winding 5 received in the through-opening 4. The cooling channel 6 is bounded radially inwards, i.e., in the radial direction 7 inwards, by a bridge 8. Each cooling channel 6 has two grooves 10, open radially inwards towards an inner surface 9 of the stator 1, for draining cooling medium from an air gap 12 arranged between the inner surface 9 of the stator 1 and a rotor 11, the grooves 10 bounding the bridge 8 in the circumferential direction 13.

Durch die erfindungsgemäß ausgebildete Brücke 8 mit den Nuten 10 können dabei mehrere Vorteile gleichzeitig erreicht werden: Zum einen kann eine Gesamtlänge der Brücke 8 deutlich verlängert werden, wodurch eine Magnetflussbarriere erhöht und ein magnetischer Kurzschluss reduziert und damit eine Übertragung von Magnetfluss auf den Rotor 11 erhöht werden können. Zugleich kann über die Nuten 10 unbeabsichtigt in den Luftspalt 12 gelangtes Kühlmedium abgeführt werden, wodurch Schleppverluste reduziert und dadurch ebenfalls der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 2 erhöht werden kann. Die Gesamtlänge der Brücke 8 bemisst sich dabei nicht ausschließlich in Umfangsrichtung 13, sondern auch in Radialrichtung 7, wodurch die Gesamtlänge der Brücke 8 deutlich größer ist als deren Erstreckung in Umfangsrichtung 13 oder deren Erstreckung in Radialrichtung 7. Üblicherweise ist sie vorzugsweise beinahe doppelt so lang, wie bei einer geradlinig in Umfangsrichtung 13 verlaufenden Brücke. Insbesondere ist die Gesamtlänge der Brücke 8 zudem in Umfangsrichtung 13 größer als die Summe der Breiten 2t der beiden Nuten 10.The bridge 8 with the grooves 10, designed according to the invention, offers several advantages simultaneously: Firstly, the overall length of the bridge 8 can be significantly increased, thereby increasing the magnetic flux barrier, reducing magnetic short circuits, and thus improving the transfer of magnetic flux to the rotor 11. Secondly, any cooling medium that unintentionally enters the air gap 12 can be drained away via the grooves 10, reducing drag losses and thereby also increasing the efficiency of the electric machine 2. The overall length of the bridge 8 is not measured exclusively in the circumferential direction 13, but also in the radial direction 7, making the overall length of the bridge 8 significantly greater than its circumferential extent 13 or its radial extent 7. Typically, it is preferably almost twice as long as that of a straight bridge extending in the circumferential direction 13. In particular, the total length of the bridge 8 is also greater in the circumferential direction 13 than the sum of the widths 2t of the two grooves 10.

Betrachtet man die 1 und 2 im Vergleich zum Stator 1 entsprechend der 3, so kann man erkennen, dass bei den 1 und 2 die Nuten 10 in Radialrichtung 7 ausgerichtet sind, während sie entsprechend der 3 schräg zur Radialrichtung 7 ausgerichtet sind und wobei ein Abstand der beiden Nuten 10 in Radialrichtung 7 nach außen zunimmt. Hierdurch kann eine nochmals reduzierte Breite Bt der Brücke 8 im Vergleich zur Breite Bt der Brücke 8 entsprechend den 1 und 2 erreicht werden. Je geringer die Breite Bt der Brücke 8 ist, umso geringer ist auch ein Materialanteil, der zwei benachbarte Statorzähne 14 miteinander verbindet und umso geringer ist ein magnetischer Streufluss bzw. ein magnetischer Kurzschluss und umso höher ist eine Magnetflussbarriere zwischen den beiden benachbarten Statorzähnen 14 (vergleiche die 2 und 3).If one considers the 1 and 2 compared to stator 1 according to the 3 , so one can see that in the 1 and 2 the grooves 10 are aligned in radial direction 7, while they are aligned according to the 3 are oriented obliquely to the radial direction 7, with the distance between the two grooves 10 increasing outwards in the radial direction 7. This allows for a further reduction in the width Bt of the bridge 8 compared to the width Bt of the bridge 8 according to the 1 and 2 The smaller the width Bt of the bridge 8, the smaller the proportion of material connecting two adjacent stator teeth 14, the smaller the magnetic leakage flux or magnetic short circuit, and the higher the magnetic flux barrier between the two adjacent stator teeth 14 (compare the 2 and 3 ).

Betrachtet man den Stator 1 entsprechend den 1 bis 3 weiter, so kann man erkennen, dass eine Erstreckung der Brücke 8 in Umfangsrichtung 13 im Wesentlichen einer Breite Sw der zugehörigen Durchgangsöffnung 4 entspricht. If one considers stator 1 accordingly... 1 to 3 Furthermore, it can be seen that the extent of the bridge 8 in the circumferential direction 13 essentially corresponds to a width Sw of the associated passage opening 4.

Eine Breite 3t des Kühlkanals 6 ist dabei kleiner als die Breite Sw der zugehörigen Durchgangsöffnung 4, wobei die Breite Bt der Brücke 8 umso geringer ist, je mehr die Breite 3t des Kühlkanals 6 sich der Breite Sw der Durchgangsöffnung 4 annähert. Der Stator 1 ist dabei aus einer Vielzahl einzelner ausgestanzter Statorbleche zusammengesetzt, wobei eine Breite Bt der Brücke 8 vorzugsweise maximal einer minimal möglichen stanzbaren Breite entspricht. Je geringer die Breite Bt der Brücke 8 ist, umso geringer ist der mögliche magnetische Fluss zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 14 und umso höher ist die hierdurch erreichbare Magnetflussbarriere.The width 3t of the cooling channel 6 is smaller than the width Sw of the associated through-opening 4, and the width Bt of the bridge 8 is smaller the closer the width 3t of the cooling channel 6 approaches the width Sw of the through-opening 4. The stator 1 is composed of a plurality of individual stamped stator laminations, and the width Bt of the bridge 8 preferably corresponds to a minimum possible stampable width. The smaller the width Bt of the bridge 8, the lower the possible magnetic flux between two adjacent stator teeth 14 and the higher the resulting magnetic flux barrier.

Eine radial nach innengewandte Oberfläche 16 der Brücke 8 kann dabei auf demselben Radius angeordnet sein, wie die Innenmantelfläche 9 des Stators 1, sodass die Oberfläche 16 der Brücke 8 in der Innenmantelfläche 9 des Stators 1 liegt. Dies ist beispielsweise bei der Brücke 8 gemäß den 1 und 2 der Fall. Bei der gemäß der 3 dargestellten Brücke 8 ist die radial nach innen gewandte Oberfläche 16 der Brücke 8 jedoch auf einem größeren Radius angeordnet, wie die Innenmantelfläche 9 des Stators 1, sodass der Luftspalt 12 im Bereich der nach innen gewandte Oberfläche 16 eine größere Dicke aufweist als beispielsweise im Bereich der Statorzähne 14. Der geringste Abstand zwischen der Brücke 8 und dem Rotor 11 ist somit in diesem Fall größer als die Dicke des Luftspalts 12 zwischen dem Rotor 11 und den Stator 1. Hierdurch kann ebenfalls eine verbesserte Abführung von Kühlmedium aus dem Luftspalt 12 erreicht werden.A radially inward-facing surface 16 of the bridge 8 can be arranged on the same radius as the inner surface 9 of the stator 1, such that the surface 16 of the bridge 8 lies within the inner surface 9 of the stator 1. This is the case, for example, with the bridge 8 according to the 1 and 2 the case. In the case according to the 3 In the depicted bridge 8, the radially inward-facing surface 16 of the bridge 8 is arranged on a larger radius than the inner surface 9 of the stator 1, so that the air gap 12 in the region of the inward-facing surface 16 has a greater thickness than, for example, in the region of the stator teeth 14. The minimum distance between the bridge 8 and the rotor 11 is therefore greater in this case than the thickness of the air gap 12 between the rotor 11 and the stator 1. This also allows for improved removal of cooling medium from the air gap 12.

Die Kühlkanäle 6 und die Nuten 10 bzw. auch die Durchgangsöffnungen 4 können dabei in Axialrichtung 3 geradlinig verlaufen, wie dies gemäß der 4 dargestellt ist, oder schräg zur Axialrichtung 3, wie dies gemäß den 5 und 6 dargestellt ist, wobei insbesondere bei einer Ausrichtung der Durchgangsöffnungen 4 schräg zur Axialrichtung 3 eine besonders effektive Abführung von in dem Luftspalt 12 vorhandenem Kühlmedium sowie eine reduzierte Drehmomentwelligkeit erreicht werden können. Eine bevorzugte Schrägstellung entspricht dabei 360°/(Anzahl der Durchgangsöffnungen 4 bzw. Anzahl der Statorzähne 14), wobei zwei benachbarte Statorsegmente 15, die jeweils ein Kreissegment darstellen, einen gemeinsamen Statorzahn 14 besitzen.The cooling channels 6 and the grooves 10, or also the through-openings 4, can run in a straight line in the axial direction 3, as shown in the 4 is shown, or obliquely to the axial direction 3, as shown according to the 5 and 6 As shown, in particular when the through-openings 4 are oriented obliquely to the axial direction 3, a particularly effective discharge of the cooling medium present in the air gap 12 and a reduced torque ripple can be achieved. A preferred inclination corresponds to 360°/(number of through-openings 4 or number of stator teeth 14), wherein two adjacent stator segments 15, each representing a circular segment, share a common stator tooth 14.

Alles in allem kann mit dem erfindungsgemäßen Stator 1 eine elektrische Maschine 2 geschaffen werden, die einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist, da sie zum einen über im Kühlkanal 6 strömendes Kühlmedium kühlbar und damit in einem optimalen Temperaturfenster betreibbar ist, wobei zugleich eine Magnetflussbarriere deutlich erhöht und eine Abführung von unbeabsichtigt in einen Luftspalt 12 zwischen einer Innenmantelfläche 9 des Stators 1 und dem Rotor 11 gelangtem Kühlmedium verbessert und dadurch Schleppverluste reduziert werden können.All in all, the stator 1 according to the invention can be used to create an electric machine 2 which has a significantly higher efficiency, since it has, firstly, a cooling channel 6 The flowing cooling medium can be cooled and thus operated within an optimal temperature window, while at the same time significantly increasing the magnetic flux barrier and improving the removal of cooling medium that has unintentionally entered an air gap 12 between an inner shell surface 9 of the stator 1 and the rotor 11, thereby reducing drag losses.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2021 / 0 218 293 A1 [0002]
JP 2020-10553 A [0003]
EP 3 288 155 A1 [0004]

Claims

Stator (1) for an electric machine (2) with several through-holes (4) passing through the stator (1) for receiving stator windings (5), characterized in that - in at least one through-hole (4) a cooling channel (6) for a cooling medium is arranged radially within the stator winding (5) received in the through-hole (4), - that the cooling channel (6) is limited radially inwards by a bridge (8), - that each cooling channel (6) has two grooves (10) open radially inwards towards an inner surface (9) of the stator (1) for draining cooling medium from an air gap (12) arranged between an inner surface (9) of the stator (1) and a rotor (11), wherein the grooves (10) limit the bridge (8) in the circumferential direction (13).

Stator after Claim 1 , characterized in that a distance (L) between two grooves (10) associated with a corresponding cooling channel (6) in the circumferential direction (13) is greater than the sum of the widths (Bt) of the two grooves (10) in the circumferential direction (13).

Stator after Claim 1 or 2 , characterized in that the grooves (10) are aligned in the radial direction (7), or that the grooves (10) are aligned obliquely to the radial direction (7), wherein the distance between two grooves (10) belonging to a cooling channel (6) increases outwards in the radial direction (7).

Stator according to one of the preceding claims, characterized in that a distance (L) between two grooves (10) associated with a cooling channel (6) in the circumferential direction (13) is smaller or equal to a width (Sw) of the through-opening (4).

Stator according to one of the preceding claims, characterized in that a width (3t) of the cooling channel (6) is smaller than a width (Sw) of the associated through-opening (4).

Stator according to one of the preceding claims, characterized in that the stator (1) is composed of a plurality of individual stamped stator laminations.

Stator according to one of the preceding claims, characterized in that - the cooling channels (6) and the slots (10) run parallel to the axial direction (3), or - the cooling channels (6) and the slots (10) run obliquely to the axial direction (3).

Stator according to one of the preceding claims, characterized in that the bridge (8) extends in the circumferential direction (13) and in the radial direction (7) and has a total length in the circumferential direction (13) and in the radial direction (7) that is more than twice the width (Sw) of the through-opening (4).

Stator according to one of the preceding claims, characterized in that a radially inwardly directed surface (16) of the bridge (8) is arranged on the same radius as the inner surface (9) of the stator (1).

Stator after one of the Claims 1 until 8 , characterized in that a radially inwardly facing surface (16) of the bridge (8) is arranged on a larger radius than the inner surface (9) of the stator (1).

Electric machine (2), in particular an electric motor, with a rotor (11) and a stator (1) according to one of the preceding claims.