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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Elektromaschine mit einem gattungsgemäßen Stator sowie ein Kraftfahrzeug mit einer gattungsgemäßen Elektromaschine.
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Es sind elektrische und hybride Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge bekannt, die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eine Elektromaschine aufweisen. Zur Realisierung hoher Leistungsdichten sind Elektromaschinen bekannt, bei welchen Statorwicklungen aus Wicklungsstäben gebildet sind, die in Statornuten eines Statorgrundkörpers des Stators angeordnet sind. Derartige Wicklungsstäbe werden mitunter auch als „Hairpins“ bezeichnet, da sie eine haarnadelähnliche Ausbildung aufweisen.
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Die Wicklungsstäbe weisen demnach jeweils einen u-förmig ausgebildeten Biegebereich auf, von welchem sich zwei Drahtschenkel mit jeweils einem freien Schenkelende erstrecken. Zur Realisierung der Statorwicklung sind jeweils zwei benachbarte Schenkelenden unterschiedlicher Wicklungsstäbe miteinander elektrisch gekoppelt, beispielsweise verschweißt, vercrimpt, verlötet oder dergleichen. Somit bilden die Biegebereiche an einer ersten Grundkörperstirnseite einen ersten Wickelkopf und die Schenkelenden an einer der ersten Grundkörperstirnseite entgegengesetzten zweiten Grundkörperstirnseite einen zweiten Wickelkopf.
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Bei Elektronmaschinen mit einer verhältnismäßig hohen Leistungsdichte sowie einer verhältnismäßig hohen Dauerleistungsdichte ist das Thermomanagement von besonderer Bedeutung, um ein Überhitzen der Komponenten der Elektromaschine zu vermeiden. In diesem Rahmen ist eine Vielzahl unterschiedlicher Kühlkonzepte, wie beispielsweise eine allgemeine Luftkühlung sowie Flüssigkeitskühlungen des Rotors und/oder des Stators mit einer Kühlflüssigkeit, bekannt.
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Es sind Statorkühlungen zum Kühlen des Stators bekannt, bei welchen der Statorgrundkörper Kühlkanäle zum Durchleiten der Kühlflüssigkeit aufweist. Auf diese Weise ist eine zuverlässige sowie effektive Kühlung des Statorgrundkörpers realisierbar. Gleichwohl ist hiermit keine direkte Kühlung der Wickelköpfe realisiert, sodass es insbesondere bei hoher Dauerleistungsbelastung der Elektromaschine leicht zu einem Überhitzen der Wickelköpfe kommen kann. Aus diesem Grund weisen einige Elektromaschinen eine zusätzliche Wickelkopfkühlung auf. Diese kann beispielsweise indirekt durch das Anordnen von sogenannten „Heatpipes“ oder Wärmeableitelementen im Wickelkopf realisiert sein. Eine weitere Möglichkeit der aktiven Kühlung des Wickelkopfes ist die direkte Beaufschlagung des Wickelkopfes mit der Kühlflüssigkeit.
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Eine bekannte direkte Wickelkopfkühlung ist auch unter der Bezeichnung „Spritzkühlung“ oder „Schleuderkühlung“ bekannt. Gemäß einer Ausführungsform ist an dem Rotor ein Kühlflüssigkeitskanal mit einem Kühlflüssigkeitsschleuderbereich ausgebildet. Durch die bei einer Rotation des Rotors auftretenden Fliehkräfte ist die Kühlflüssigkeit vom Kühlflüssigkeitsschleuderbereich des Rotors zu dem jeweils benachbarten Wickelkopf schleuderbar. Aus den Dokumenten
US 2020 / 0 328 657 A1 ,
DE 10 2014 207 470 A1 und
DE 10 2013 020 331 A1 sind derartige Schleuderkühlungen bekannt.
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Bekannte Schleuderkühlungen haben den Nachteil, dass eine Eindringtiefe der radial nach außen auf die Wickelköpfe geschleuderten Kühlflüssigkeit in die Wickelköpfe durch die Wicklungsstäbe begrenzt ist, da die Kühlflüssigkeit direkt auf die in radialer Richtung weiter innen angeordneten Wicklungsstäbe trifft und an diesen ihre kinetische Energie verliert. Dies führt dazu, dass eine Beaufschlagung der in radialer Richtung weiter außen angeordneten Wicklungsstäbe mit der Kühlflüssigkeit nur unzureichend gewährleistet ist. Ein Grund hierfür ist die Anordnung der Biegebereiche im Wickelkopf, welche eine Vielzahl von Drahtkreuzungen benachbarter Wicklungsstäbe aufweist und somit eine Barriere für die Kühlflüssigkeit bildet.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Elektromaschine zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Stator, eine Elektromaschine und ein Kraftfahrzeug mit einer Elektromaschine zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise eine unzureichende Beaufschlagung mindestens eines Wickelkopfs mit Kühlflüssigkeit vermeiden und/oder eine verbesserte Kühlung mindestens eines Wickelkopfs bereitstellen.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch einen Stator für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch eine Elektromaschine mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 9 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektromaschine sowie dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Stator für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gelöst. Der Stator weist einen Statorgrundkörper mit einer ersten Grundkörperstirnseite, einer zweiten Grundkörperstirnseite, einer Grundkörperlängsachse, Statorzähnen und zwischen den Statorzähnen ausgebildeten Statornuten auf. Zudem weist der Stator eine Mehrzahl von Wicklungsstäben mit jeweils einem Biegebereich auf, von welchem sich zwei axiale Drahtschenkel des Wicklungsstabs mit jeweils einem vom Biegebereich wegweisenden Schenkelende erstrecken. Die Drahtschenkel der Wicklungsstäbe sind in den Statornuten in radialer Richtung übereinander angeordnet, wobei die Wicklungsstäbe jeweils einer von mehreren Phasen des Stators zugeordnet sind. Die Biegebereiche bilden an der ersten Grundkörperstirnseite einen ersten Wickelkopf. Die Schenkelenden bilden an der zweiten Grundkörperstirnseite einen zweiten Wickelkopf, wobei die Schenkelenden an der zweiten Grundkörperstirnseite jeweils paarweise miteinander elektrisch gekoppelt sind. Erfindungsgemäß sind benachbarte Biegebereiche zu Biegebereichsgruppen zusammengefasst und in radialer Richtung überwiegend fluchtend hintereinander angeordnet.
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Der Statorgrundkörper besteht beispielsweise aus Eisen oder weist zumindest Eisen und/oder ein ferromagnetisches Material auf. Vorzugsweise ist der Statorgrundkörper aus einer Vielzahl von Statorscheiben, vorzugsweise aus Elektroblech oder dergleichen, zusammengesetzt. Die Statorscheiben sind vorzugsweise zueinander elektrisch mittels eines Isoliermittels isoliert. Das Isoliermittel weist vorzugsweise Harz, Lack, Papier oder dergleichen auf. Der Statorgrundkörper ist koaxial zur Grundkörperlängsachse ausgebildet. Der Statorgrundkörper weist eine Mehrzahl von Statornuten auf, die vorzugsweise zur Grundkörperlängsachse hin offen sind und sich weiter bevorzugt parallel zur Grundkörperlängsachse durch den Statorgrundkörper erstrecken. Die Statornuten weisen in radialer Richtung eine Nuttiefe auf. Ferner sind die Statornuten in Umfangsrichtung des Statorgrundkörpers durch die Statorzähne begrenzt. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Statornuten gleichmäßig oder zumindest regelmäßig über Statorgrundkörper verteilt sind. Es ist bevorzugt, dass in den Statornuten elektrisches Nutisoliermaterial, welches insbesondere als Vergussmasse in die Statornuten einbringbar ist, angeordnet ist. Das Nutisoliermaterial ist vorzugsweise an einer Nutwandung der Statornut angeordnet. Der Statorgrundkörper ist in axialer Richtung durch die erste Grundkörperstirnseite und die zweite Grundkörperstirnseite begrenzt.
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Die Wicklungsstäbe sind als Hairpins ausgebildet und weisen einen Biegebereich auf, von welchem sich zwei Drahtschenkel, vorzugsweise parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel, erstrecken. Die Drahtschenkel jeweils auf einer dem Biegebereich abgewandten Seite mit einem Schenkelende. Die Wicklungsstäbe sind somit u-förmig oder zumindest im Wesentlichen u-förmig ausgebildet. Die Wicklungsstäbe sind weiter bevorzugt aus einem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer oder dergleichen, gebildet. Weiter bevorzugt sind die Wicklungsstäbe umfänglich elektrisch isoliert, um einen Kurzschluss zwischen benachbarten Wicklungsstäben zu vermeiden. Die Wicklungsstäbe weisen vorzugsweise einen rechteckigen Stabquerschnitt auf. Vorzugsweise weisen die Wicklungsstäbe eine Stabbreite auf, welche einer Nutbreite der Statornuten entspricht oder geringfügig kleiner ist, sodass eine Bewegung der Wicklungsstäbe in Umfangsrichtung durch die Statorzähne formschlüssig begrenzt ist. Die Wicklungsstäbe weisen vorzugsweise eine Stabhöhe auf, welche kleiner als die Stabbreite ist. Ein Verhältnis von Stabhöhe zu Stabbreite beträgt vorzugsweise zwischen 1:2 und 4:5, vorzugsweise etwa 2:3. Demnach weisen die Wicklungsstäbe vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt mit unterschiedlichen Kantenlängen auf.
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Die Drahtschenkel der Wicklungsstäbe sind in den Statornuten in radialer Richtung übereinander angeordnet, sodass in jeder Statornut vorzugsweise dieselbe Anzahl an Drahtschenkeln angeordnet ist, beispielsweise 6 oder 8 Drahtschenkel je Statornut. An der ersten Grundkörperstirnseite sind die Biegebereiche der Wicklungsstäbe aus den Statornuten herausgeführt und bilden den ersten Wickelkopf. An der zweiten Grundkörperstirnseite sind die Schenkelenden der Wicklungsstäbe aus den Statornuten herausgeführt und bilden den zweiten Wickelkopf. Zur Herstellung einer mehrphasigen Statorwicklung sind die Schenkelenden gezielt paarweise miteinander elektrisch gekoppelt, beispielsweise durch Schweißen, Löten, Crimpen oder dergleichen. Die Statorwicklung weist vorzugsweise mehrere Phasen, insbesondere drei Phasen, auf.
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Die Biegebereiche des ersten Wickelkopfs sind erfindungsgemäß zu Biegebereichsgruppen zusammengefasst. Eine Biegebereichsgruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Biegebereiche einer Biegebereichsgruppe einen geringeren Abstand zueinander aufweisen als zu Biegebereichen benachbarter Biegebereichsgruppen. Vorzugsweise sind die Biegebereiche einer Biegebereichsgruppe derart angeordnet, dass benachbarte Biegebereiche der Biegebereichsgruppe einander entlang ihrer gemeinsamen Längserstreckung kontaktieren, vorzugsweise zumindest über eine Strecke kontaktieren, die größer als eine Breite der Drahtschenkel ist. Somit sind zwischen benachbarten Biegebereichsgruppen sich in radialer Richtung erstreckende Freiräume ausgebildet, in welche eine vom Rotor weggeschleuderte Kühlflüssigkeit leicht eindringen kann. Die Biegebereichsgruppen sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese Freiräume eine möglichst große Kontaktfläche für das Kühlmittel im Inneren des ersten Wickelkopfs bereitstellen. Die Kontaktfläche weist vorzugsweise eine radiale, eine axiale Erstreckungskomponente sowie eine Erstreckungskomponente in Umfangsrichtung auf, sodass eine besonders große Anströmfläche für die Kühlflüssigkeit bereitgestellt ist, welche sich weit in den ersten Wickelkopf hinein erstreckt. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche schaufelradförmig ausgebildet. Das bedeutet, dass die Kontaktfläche vorzugsweise eine Verdrillung um eine Achse, vorzugsweise um eine sich parallel zur Grundkörperlängsachse erstreckende Achse, aufweist.
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Ein erfindungsgemäßer Stator hat gegenüber herkömmlichen Statoren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Durchdringung des ersten Wickelkopfs für die vom Rotor weggeschleuderte Kühlflüssigkeit verbessert ist. Hierdurch sind auch radial weiter von der Grundkörperlängsachse entfernt angeordnete Wicklungsstäbe des ersten Wickelkopfs mit der Kühlflüssigkeit beaufschlagbar, sodass eine verbesserte Kühlung des ersten Wickelkopfs gewährleistet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Stator vorgesehen sein, dass die Biegebereichsgruppen drei oder vier Biegebereiche aufweisen. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass die Biegebereiche von drei oder vier Wicklungsstäben zu einer Biegebereichsgruppe zusammengefasst sind. Bei sechs Drahtschenkeln pro Statornut sind es vorzugsweise drei Biegebereiche pro Biegebereichsgruppe. Bei acht Drahtschenkeln pro Statornut sind es vorzugsweise vier Biegebereiche pro Biegebereichsgruppe. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Anzahl der Biegebereiche pro Biegebereichsgruppe der Hälfte oder einem Drittel der Anzahl der Drahtschenkel pro Statornut entspricht. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise Biegebereichsgruppen bereitgestellt sind, welche eine verbesserte Durchdringung des ersten Wickelkopfs für die vom Rotor weggeschleuderte Kühlflüssigkeit gewährleisten, sodass eine verbesserte Kühlung des ersten Wickelkopfs gewährleistet ist.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass zwischen benachbarten Biegebereichsgruppen ein sich entlang der jeweiligen Biegebereiche sowie in radialer Richtung erstreckender Spalt ausgebildet ist. Der Spalt erstreckt sich vorzugsweise entlang der gesamten Biegebereichsgruppe bis zu den benachbarten, radial weiter außen angeordneten Biegebereichsgruppen. Somit ist gewährleistet, dass vom Rotor weggeschleuderte Kühlflüssigkeit an den inneren Biegebereichsgruppen vorbei zu den radial weiter außen angeordneten Biegebereichsgruppen gelangen kann. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Kühlung des ersten Wickelkopfs verbessert ist.
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Weiter bevorzugt sind die Wicklungsstäbe einer Biegebereichsgruppe in denselben Statornuten angeordnet. Bei 48 Statornuten können demnach beispielsweise zwei Wicklungsstäbe einer Biegebereichsgruppe jeweils einen in einer ersten Statornut angeordneten Drahtschenkel und einen in einer siebten Statornut angeordneten Drahtschenkel aufweisen. Durch die Anordnung in denselben Statornuten ist eine fluchtende bzw. im Wesentlichen fluchtende Anordnung der Biegebereiche gewährleistet, sodass vom Rotor weggeschleuderte Kühlflüssigkeit leichter an den inneren Biegebereichsgruppen vorbei zu den radial weiter außen angeordneten Biegebereichsgruppen gelangen kann. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Kühlung des ersten Wickelkopfs weiter verbessert ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Stator vorgesehen sein, dass die Biegebereiche einer Biegebereichsgruppe eine Verdrillung mit einer gemeinsamen Verdrillrichtung aufweisen. Die Verdrillung ist vorzugsweise um eine Längsachse der Wicklungsstäbe ausgebildet. Ein Verdrillwinkel beträgt vorzugsweise zwischen 5° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 10° und 60° und weiter bevorzugt zwischen 15° und 45°. Besonders bevorzugt ist die Verdrillung in Abschnitten der Biegebereiche angeordnet, welche der ersten Grundkörperstirnseite benachbart angeordnet sind, wobei weiter von der ersten Grundkörperstirnseite entfernte Abschnitte der Biegebereiche vorzugweise keine oder eine geringere Verdrillung aufweisen. Auf diese Weise ist gewährleistbar, dass vom Rotor weggeschleuderte Kühlflüssigkeit leichter an den inneren Biegebereichsgruppen vorbei zu den radial weiter außen angeordneten Biegebereichsgruppen gelangen kann. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Kühlung des ersten Wickelkopfs weiter verbessert ist.
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Vorzugsweise erstrecken sich die Wicklungsstäbe auf der Seite der Biegebereiche beim Austreten aus den Statornuten entlang einer ersten Strecke parallel zur Grundkörperlängsachse. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer parallelen Erstreckung auch eine Abweichung von +/- 10° von einer rein parallelen Erstreckung verstanden. Die erste Strecke beträgt vorzugsweise mindestens 20% einer Erstreckung des ersten Wickelkopfs von der ersten Grundkörperstirnseite. Weiter bevorzugt beträgt die erste Strecke mindestens 40%, besonders bevorzugt mindestens 50%, der Erstreckung des ersten Wickelkopfs von der ersten Grundkörperstirnseite. Hierbei ist es bevorzugt, dass die in radialer Richtung weiter innenliegenden Biegebereiche eine größere derartige Erstreckung aufweisen als die in radialer Richtung weiter außen liegende Biegebereiche, beispielsweise Biegebereiche verschiedener Biegebereichsgruppen. Somit ist eine Beaufschlagung der in radialer Richtung weiter außen liegenden Biegebereichsgruppen weiter verbesserbar. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Kühlung des ersten Wickelkopfs weiter verbessert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die erste Strecke zwischen 5 mm und 30 mm. Besonders bevorzugt beträgt die erste Strecke etwa 20 mm. Somit ist eine Beaufschlagung der in radialer Richtung weiter außen liegenden Biegebereichsgruppen weiter verbesserbar. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Kühlung des ersten Wickelkopfs weiter verbessert ist.
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Besonders bevorzugt weisen die Schenkelenden eine Kröpfung auf, wobei sich die Wicklungsstäbe in einem Bereich zwischen einem axialen Ende des zweiten Wickelkopfs und der Kröpfung parallel zur Grundkörperlängsachse ausgebildet sind. Vorzugsweise erstrecken sich die Wicklungsstäbe auf der Seite der Biegebereiche beim Austreten aus den Statornuten entlang einer ersten Strecke parallel zur Grundkörperlängsachse. Ein Abstand der Kröpfung zur zweiten Grundkörperstirnseite beträgt vorzugsweise zwischen 5 mm und 20 mm. Vorzugsweise ist eine zweite Strecke zwischen dem axialen Ende des zweiten Wickelkopfs und der Kröpfung bei in radialer Richtung weiter innen liegenden Wicklungsdrähten größer ausgebildet als bei in radialer Richtung weiter außen liegenden Wicklungsdrähten. Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, dass die Kröpfung derart ausgebildet ist, dass ein sich in radialer Richtung zwischen den Schenkelenden nach außen erstreckender Spalt eine Erstreckungskomponente in Umfangsrichtung aufweist. Auf diese Weise ist eine mit der Kühlflüssigkeit beaufschlagbare Fläche der Schenkelenden vergrößert. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Kühlung des ersten Wickelkopfs weiter verbessert ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Elektromaschine für ein Kraftfahrzeug gelöst. Die Elektromaschine weist einen Rotor mit einer Rotorlängsachse, einem Kühlflüssigkeitskanal zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit und einem Kühlflüssigkeitsschleuderbereich zum Wegschleudern der Kühlflüssigkeit in eine radiale Richtung beim Rotieren des Rotors auf. Erfindungsgemäß weist die Elektromaschine einen erfindungsgemäßen Stator auf. Der Kühlflüssigkeitsschleuderbereich ist vorzugsweise ausgebildet, die Wickelköpfe jeweils gleichmäßig mit Kühlflüssigkeit zu beaufschlagen. Alternativ kann der Kühlflüssigkeitsschleuderbereich erfindungsgemäß ausgebildet sein, den ersten Wickelkopf derart unterschiedlich zu beaufschlagen, dass in radialer Richtung weiter außen liegende Biegebereiche stärker mit der Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden als bei einer gleichmäßigen Verteilung der Beaufschlagung mit Kühlflüssigkeit.
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Bei dem erfindungsgemäßen Elektromaschine ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Stator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Elektromaschine gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen den Vorteil, dass eine Durchdringung des ersten Wickelkopfs des Stators der Elektromaschine für die vom Rotor weggeschleuderte Kühlflüssigkeit verbessert ist. Hierdurch sind auch radial weiter von der Grundkörperlängsachse entfernt angeordnete Wicklungsstäbe des ersten Wickelkopfs mit der Kühlflüssigkeit beaufschlagbar, sodass eine verbesserte Kühlung des ersten Wickelkopfs gewährleistet ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug gelöst. Das Kraftfahrzeug weist ein elektrisches Antriebssystem oder ein hybrides Antriebssystem auf. Erfindungsgemäß weist das Antriebssystem eine erfindungsgemäße Elektromaschine auf. Bei einem hybriden Antriebssystem ist die Elektromaschine vorzugsweise zum unterstützenden Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Elektromaschine bei einem hybriden Antriebssystem zum alleinigen Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Bei einem elektrischen Antriebssystem ist die Elektromaschine zum alleinigen Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Erfindungsgemäß kann das elektrische Antriebssystem oder das hybride Antriebssystem auch mehrere Elektromaschinen aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Stator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie zu einer Elektromaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass eine Durchdringung des ersten Wickelkopfs des Stators der Elektromaschine des Antriebssystems für die vom Rotor weggeschleuderte Kühlflüssigkeit verbessert ist. Hierdurch sind auch radial weiter von der Grundkörperlängsachse entfernt angeordnete Wicklungsstäbe des ersten Wickelkopfs mit der Kühlflüssigkeit beaufschlagbar, sodass eine verbesserte Kühlung des ersten Wickelkopfs gewährleistet ist.
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Ein erfindungsgemäßer Stator, eine erfindungsgemäße Elektromaschine sowie ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt eines ersten Wickelkopfs eines Stators gemäß dem Stand der Technik,
- 2 in einer Schnittdarstellung eine Elektromaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 3 in einer Seitenansicht eine Biegebereichsgruppe gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 4 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt eines ersten Wickelkopfs gemäß der bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 5 in einer Seitenansicht eine Biegebereichsgruppe gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung,
- 6 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt eines ersten Wickelkopfs gemäß der bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung,
- 7 ein Wicklungsschema gemäß der bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung,
- 8 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt eines zweiten Wickelkopfs gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
- 9 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 9 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Ausschnitt eines ersten Wickelkopfs 11 eines Stators 1 gemäß dem Stand der Technik schematisch in einer perspektivischen Ansicht abgebildet. Der Stator 1 weist einen Statorgrundkörper 4 mit mehreren Statorzähnen 8 auf. Zwischen jeweils zwei Statorzähnen 8 ist eine Statornut 9 ausgebildet. In den Statornuten 9 sind Drahtschenkel 10b mehrerer Wicklungsstäbe 10 angeordnet. Der erste Wickelkopf 11 ist an einer ersten Grundkörperstirnseite 5 des Statorgrundkörpers 4 angeordnet und aus mehreren Biegebereichen 10a der Wicklungsstäbe 10 gebildet. Durch die gleichmäßige Verteilung der Biegebereiche 10a weist der erste Wickelkopf 11 eine Vielzahl von Kreuzungen zwischen benachbarten Biegebereichen 10a auf, durch welche ein Durchdringen des ersten Wickelkopfs 11 für Schleuderöl stark behindert ist.
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2 zeigt eine Elektromaschine 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittdarstellung. Die Elektromaschine 2 weist einen erfindungsgemäßen Stator 1 mit einem Statorgrundkörper 4 auf, der sich entlang einer Grundkörperlängsachse 7 erstreckt und eine erste Grundkörperstirnseite 5 sowie eine zweite Grundkörperstirnseite 6 aufweist. An der ersten Grundkörperstirnseite 5 ist ein erster Wickelkopf 11 und an der zweiten Grundkörperseite 6 ein zweiter Wickelkopf 12 angeordnet. Ferner weist die Elektromaschine 2 einen Rotor 16 mit einer koaxial zur Grundkörperlängsachse 7 angeordneten Rotorlängsachse 17 auf. Im Rotor 16 ist ein Kühlflüssigkeitskanal 18 zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit ausgebildet. Der Kühlflüssigkeitskanal 18 mündet in mehrere Kühlflüssigkeitsschleuderbereiche 19 über welche die Kühlflüssigkeit durch ein Rotieren des Rotors 16 auf den ersten Wickelkopf 11 und den zweiten Wickelkopf 12 schleuderbar ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Stators 1 ist eine verbesserte Durchdringung des ersten Wickelkopfs 11 - sowie des zweiten Wickelkopfs 12 - mit der Kühlflüssigkeit erzielbar.
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In 3 ist eine Biegebereichsgruppe 13 gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Die Biegebereichsgruppe 13 ist aus drei Biegebereichen 10a gebildet. Die Biegebereichsgruppe 13 ist somit aus drei als Hairpins ausgebildeten Wicklungsstäben 10 gebildet.
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4 zeigt einen Ausschnitt eines ersten Wickelkopfs 11 gemäß der bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer perspektivischen Ansicht. Der erste Wickelkopf 11 weist mehrere der in 3 dargestellten Biegebereichsgruppen 13 auf. Zwischen zwei benachbarten Biegebereichsgruppen 13 ist ein Spalt 14 zum verbesserten Durchleiten der Kühlflüssigkeit ausgebildet. Die Wicklungsstäbe 10 erstrecken sich von der ersten Grundkörperstirnseite 5 über eine erste Strecke S1 parallel zur Grundkörperlängsachse 7 (vgl. 2).
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In 5 ist eine Biegebereichsgruppe 13 gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Die Biegebereichsgruppe 13 ist aus vier Biegebereichen 10a gebildet. Die Biegebereichsgruppe 13 ist somit aus vier als Hairpins ausgebildeten Wicklungsstäben 10 gebildet.
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6 zeigt einen Ausschnitt eines ersten Wickelkopfs 11 gemäß der bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer perspektivischen Ansicht. Der erste Wickelkopf 11 weist mehrere der in 5 dargestellten Biegebereichsgruppen 13 auf. Zwischen zwei benachbarten Biegebereichsgruppen 13 ist ein Spalt 14 zum verbesserten Durchleiten der Kühlflüssigkeit ausgebildet.
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In 7 ist ein Wicklungsschema gemäß der bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung schematisch abgebildet. Das Wicklungsschema zeigt achtundvierzig Statornuten 9, in welchen jeweils acht Wicklungsstäbe 10 angeordnet sind. Jede der Statornuten 9 weist somit acht Nutpositionen auf, wobei eine in dieser Darstellung obere Nutposition als erste Nutposition bezeichnet wird und die darunter angeordneten Nutpositionen bis zur untersten achten Nutposition durchnummeriert sind. Jede Wicklungsphase weist vier parallele Spulen mit jeweils einem Wicklungsanfang 11 und einem Wicklungsende 12 auf. Die Wicklungsstäbe 10 sind mit einer Blocksehnung zu Biegebereichsgruppen 13 aus jeweils vier Biegebereichen 10a angeordnet. Eine Biegebereichsgruppe 13 gemäß der in 5 dargestellten bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in der Mitte des Wicklungsschemas exemplarisch hervorgehoben. Die Wicklungsstäbe 10 sind in Statornuten 9 einundzwanzig und sechsundzwanzig angeordnet. Ein erstes Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition acht und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition zwei angeordnet. Ein zweites Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition sieben und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition eins angeordnet. Ein drittes Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition sechs und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition vier angeordnet. Ein viertes Paar Wicklungsstäbe 10 ist in der Statornut 9 einundzwanzig in der Nutposition fünf und in der Statornut 9 sechsundzwanzig in der Nutposition drei angeordnet.
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8 zeigt einen Ausschnitt eines zweiten Wickelkopfs 12 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer perspektivischen Ansicht. Der zweite Wickelkopf 12 ist an der zweiten Grundkörperstirnseite 6 angeordnet und ist aus mehreren Schenkelenden 10c der Wicklungsstäbe 10 gebildet, die jeweils paarweise miteinander elektrisch gekoppelt sind, beispielsweise durch Schweißen oder dergleichen. Ein Schenkelende 10c gemäß einer alternativen Ausführungsform ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Bei dieser alternativen Ausführungsform erstreckt sich der aus der Statornut 9 herausragende Wicklungsstab 10 zunächst parallel zur Grundkörperlängsachse 7 (vgl. 2) bis zu einer Kröpfung 15. Hierdurch ist eine besonders vorteilhafte Durchlässigkeit des zweiten Wickelkopfs 12 für Kühlflüssigkeit zwischen der zweiten Grundkörperstirnseite 6 und der Kröpfung 15 bereitgestellt.
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In 9 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 3 schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Das Kraftfahrzeug 3 weist ein elektrisches Antriebssystem 20 mit einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 3, einer Traktionsbatterie 21 zum Bereitstellen elektrischer Energie zum Betreiben der Elektromaschine 2 sowie einem Getriebe 22 zum gezielten Wandeln einer Ausgangsdrehzahl der Elektromaschine 2 auf. Die Elektromaschine 2 weist einen Rotor 16 mit einer Rotorlängsachse 17 sowie einen erfindungsgemäßen Stator 1 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Elektromaschine
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Statorgrundkörper
- 5
- erste Grundkörperstirnseite
- 6
- zweite Grundkörperstirnseite
- 7
- Grundkörperlängsachse
- 8
- Statorzahn
- 9
- Statornut
- 10
- Wicklungsstab
- 10a
- Biegebereich
- 10b
- Drahtschenkel
- 10c
- Schenkelende
- 11
- erster Wickelkopf
- 12
- zweiter Wickelkopf
- 13
- Biegebereichsgruppe
- 14
- Spalt
- 15
- Kröpfung
- 16
- Rotor
- 17
- Rotorlängsachse
- 18
- Kühlflüssigkeitskanal
- 19
- Kühlflüssigkeitsschleuderbereich
- 20
- Antriebssystem
- 21
- Traktionsbatterie
- 22
- Getriebe
- S1
- erste Strecke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2020/0328657 A1 [0006]
- DE 102014207470 A1 [0006]
- DE 102013020331 A1 [0006]