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Title:
STATOR WITH INTEGRATED COOLING FUNCTION, METHOD FOR PRODUCING A STATOR, AND ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/079135
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a stator (10) for an electric machine (40) of a motor vehicle (38), having an annular yoke (12) with an inner face (14) oriented inwards in the radial direction of the yoke (12), a plurality of pole teeth (16) being connected to the yoke (12) in a form-fitting manner on the inner face (14) of the yoke (12) and being mutually spaced in the circumferential direction of the yoke (12); a stator winding (29) which is designed as a mat and is arranged between the pole teeth (16); and a first cooling channel (34) through which a cooling medium can flow and which extends in the longitudinal direction of the stator (10), wherein the first cooling channel (34) is arranged in a recess (30) which extends outwards starting from the inner face (14) of the yoke (12) in the radial direction of the yoke (12) between two adjacent pole teeth (16), and the first cooling channel (34) lies at least partly directly against a wall (36) which defines the recess (30) and/or partly directly against the stator winding (29), and/or a second cooling channel (44) through which a cooling medium can flow, wherein the second cooling channel (44) is arranged between two adjacent pole teeth (16) between a winding inner face (46) of the stator winding (29) facing inwards in the radial direction of the stator (10) and a pole shoe (20) of the pole tooth (16), and the second cooling channel (44) lies at least partly directly against the stator winding (29) and/or the pole shoe (20).

Inventors:
HAAS ASTRID (DE)
HACKMANN WILHELM (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/078382
Publication Date:
April 21, 2022
Filing Date:
October 14, 2021
Export Citation:
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Assignee:
VITESCO TECHNOLOGIES GERMANY GMBH (DE)
International Classes:
H02K1/14; H02K3/24; H02K5/20; H02K9/19
Domestic Patent References:
WO2019233739A12019-12-12
Foreign References:
DE102017211317A12019-01-10
JP2020137384A2020-08-31
DE102014220148A12016-04-07
US20110133580A12011-06-09
EP1404002A12004-03-31
DE102017218933A12019-04-25
EP3127223B12018-07-18
Attorney, Agent or Firm:
WALDMANN, Alexander (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1 . Stator (10) für eine elektrische Maschine (40) eines Kraftfahrzeugs (38), aufweisend ein ringförmig ausgebildetes Joch (12), mit einer in radialer Richtung des Jochs (12) nach innen gerichteten Innenseite (14), wobei auf der Innenseite (14) des Jochs (12) eine Mehrzahl von Polzähnen (16) formschlüssig mit dem Joch (12) verbunden sind, die Polzähne (16) in Umfangsrichtung des Jochs (12) zueinander beabstandet angeordnet sind, eine als Matte ausgebildete Statorwicklung (29), die zwischen den Polzähnen (16) angeordnet ist, ein mit einem Kühlmedium durchström barer erster Kühlkanal (34), der sich in Längsrichtung des Stators (10) erstreckt, wobei der erste Kühlkanal (34) in einer Ausnehmung (30) angeordnet ist, die sich ausgehend von der Innenseite (14) des Jochs (12) zwischen zwei benachbarten Polzähnen (16) in radialer Richtung des Jochs (12) nach außen erstreckt, der erste Kühlkanal (34) zumindest abschnittsweise unmittelbar an einer die Ausnehmung (30) definierende Wandung (36) und/oder abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung (29) anliegt, und/oder ein mit einem Kühlmedium durchström barer zweiter Kühlkanal (44), wobei der zweite Kühlkanal (44) zwischen zwei benachbarten Polzähnen (16)zwischen einer in radialer Richtung des Stators (10) nach innen gerichteten Wicklungsinnenseite (46) der Statorwicklung (29) und einem Polschuh (20) des Polzahns (16) angeordnet ist, und der zweite Kühlkanal (44) zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung (29) und/oder am Polschuh (20) anliegt.

2. Stator nach Anspruch 1 , aufweisend wenigstens den ersten Kühlkanal (34) wobei der erste Kühlkanal (34) bis zur Innenseite (14) des Jochs (12) geführt ist.

3. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend wenigstens den ersten Kühlkanal (34) wobei der erste Kühlkanal (34) ausgehend von der Ausnehmung (30) bis in einen Zwischenraum zwischen den Polzähnen (16) geführt ist.

4. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (29), bezogen auf die radiale Richtung des Stators (10), mehrlagig ausgebildet ist. und zwischen zwei Polzähnen (16), bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators (10), einlagig ausgebildet ist.

5. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkanal (34) endseitig des Stators (10) mit einem ersten Ringkanal verbunden ist, und/oder der zweite Kühlkanal endseitig des Stators (10) mit einem zweiten Ringkanal (52) verbunden ist .

6. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkanal (34) und/oder der zweite Kühlkanal (44) aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sind.

7. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (20) zweier benachbarter Polzähne (16) spaltfrei ausgebildet sind.

8. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polzähne (16) über eine schwalbenschwanzförmige Verbindung mit dem Joch (12) verbunden sind.

9. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (30), bezogen auf den Querschnitt des Jochs (12), ausgehend von der Innenseite (14) in radialer Richtung nach außen, aufweitend ausgebildet ist.

10. Stator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (12) auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite eine Jochaußenseite (48) aufweist, und der Stator (10) in einem Gehäuse (49) angeordnet ist, wobei zwischen der Jochaußenseite (48) und dem Gehäuse (49) ein dritter Kühlkanal (50) ausgebildet ist. 19

11 . Stator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kühlkanal (50) fluidtechnisch mit dem ersten Kühlkanal und/oder dem zweiten Kühlkanal (52) verbunden ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Stators (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Kühlkanal (34) und/oder der zweite Kühlkanal (44) durch einen Overmoldvorgang und/oder einen Transfermoldvorgang ausgebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkanal (34) und/oder der zweite Kühlkanal (44) nach der formschlüssigen Anordnung der die Statorwicklung (29) aufweisenden Polzähne (16) auf das Joch (12) ausgebildet wird.

14. Elektrische Maschine mit einem Stator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 .

Description:
Beschreibung

Stator mit integrierter Kühlung, Verfahren zur Herstellung eines Stators und elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator ein kreisringförmig ausgebildetes Joch mit einer Mehrzahl von Polzähnen aufweist. Zwischen den Polzähnen ist eine als Matte ausgebildete Statorwicklung angeordnet, wobei zwischen dem Joch und der Statorwicklung und/oder zwischen der Statorwicklung und einem Polschuhe eines Polzahns ein mit einem Kühlmedium durchström barer Kühlkanal zur Kühlung des Stators ausgebildet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stators, sowie eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Stator.

Ein Stator für eine elektrische Maschine ist grundsätzlich bekannt. Ebenso sind unterschiedliche Kühlkonzepte von Statoren bekannt, um diese während des Betriebs der elektrischen Maschine zu kühlen. Bei den bekannten Kühlkonzepten kann vorgesehen sein, dass stirnseitig ausgebildete Wicklungsköpfe über angesaugte Umgebungsluft, die in radialer Richtung des Stators ausgeblasen wird, gekühlt werden. Häufig reicht die alleinige Kühlung der Wicklungsköpfe nicht aus, um die elektrische Maschine, bzw. den Stator effizient zu kühlen. Daher ist weiter bekannt, dass ein Kühlkanal zwischen einem Stator und einem dem Stator umgebenden Gehäuse ausgebildet sein kann, um eine äußeren Mantelfläche des Stators kühlen zu können, wie dies beispielsweise in der EP 3 127 223 B1 beschrieben ist. Eine Außenseitenkühlung des Stators kann zu einem erhöhten Bauraumbedarf führen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Stator für eine elektrische Maschine bereitzustellen, der eine effiziente Kühlung aufweisen und einen reduzierten Bauraum haben kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen, wobei jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination eines Aspekt der Erfindung darstellen kann, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit etwas Gegenteiliges ergibt.

Erfindungsgemäß ist ein Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, aufweisend ein ringförmig ausgebildetes Joch, mit einer in radialer Richtung des Jochs nach innen gerichteten Innenseite, wobei auf der Innenseite des Jochs eine Mehrzahl von Polzähnen formschlüssig mit dem Joch verbunden sind, und die Polzähne in Umfangsrichtung des Jochs zueinander beabstandet angeordnet sind, eine als Matte ausgebildete Statorwicklung, die zwischen den Polzähnen angeordnet ist, ein mit einem Kühlmedium durchström barer erster Kühlkanal, der sich in Längsrichtung des Stators erstreckt, wobei der erste Kühlkanal in einer Ausnehmung angeordnet ist, die sich ausgehend von der Innenseite des Jochs zwischen zwei benachbarten Polzähnen in radialer Richtung des Jochs nach außen erstreckt, der erste Kühlkanal zumindest abschnittsweise unmittelbar an einer die Ausnehmung definierende Wandung und/oder abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung anliegt, und/oder ein mit einem Kühlmedium durchströmbarer zweiter Kühlkanal, wobei der zweite Kühlkanal zwischen zwei benachbarten Polzähnen zwischen einer in radialer Richtung des Stators nach innen gerichteten Wicklungsinnenseite der Statorwicklung und einem Polschuh des Polzahns angeordnet ist, und der zweite Kühlkanal zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung und/oder am Polschuh anliegt.

Mit anderen Worten ist es ein Aspekt der Erfindung, dass ein Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs angegeben wird. Die elektrische Maschine findet vorzugsweise im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs Anwendung. Somit kann die elektrische Maschine vorzugsweise ein Traktionsantrieb sein. Das Kraftfahrzeug kann ein teilweise oder vollständig elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeugs sein. Der Stator weist ein ringförmig ausgebildetes Joch auf. Für gewöhnlich wird das Joch durch eine Mehrzahl von ringförmig ausgestanzten Blechen gebildet, die in axialer Richtung des Stators hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann eine Klebeverbindung und/oder Schweißverbindung und/oder eine Prägeverbindung sein.

Auf einer in radialer Richtung des Stators bzw. des Jochs nach innen gerichteten Seite weist das Joch eine Innenseite auf. Auf der Innenseite sind eine Mehrzahl von Polzähnen zumindest teilweise formschlüssig angeordnet, wobei die Polzähne in Umfangsrichtung des Jochs zueinander beabstandet angeordnet sind. Zumindest teilweise formschlüssig verbunden bedeutet, dass in Ergänzung zum Formschluss zwischen Polzahn und Joch beispielsweise noch eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen sein kann, um die Steifigkeit der Anbindung der Polzähne an das Joch zu erhöhen. Der Abstand der Polzähne, insbesondere eines Polschafts der Polzähne, zueinander in Umfangsrichtung des Jochs ist vorzugsweise ein gleichmäßiger und/oder regelmäßiger Abstand.

Die Polzähne können jeweils als Einzelzahn ausgebildet sein. Denkbar ist auch, dass die Polzähne an einer dem Joch abgewandten Außenseite über einen schmalen Steg miteinander verbunden sind. Anders ausgedrückt weist jeder Polzahn auf einer dem Joch abgewandten Seite einen Polschuh auf, wobei der Polschuh zweier benachbarter Polzähne miteinander verbunden sein kann.

Zwischen den Polzähnen ist eine Statorwicklung angeordnet, die sich in Längsrichtung des Stators erstreckt und stirnseitig und/oder endseitig am Stator zu einem Wicklungskopf ausgebildet ist. Die Statorwicklung ist als Matte ausgebildet. Eine derartige Statorwicklung kann auch als Endloswicklung und/oder Formdrahtwicklung bezeichnet werden. Die Matte charakterisiert sich dadurch, dass die drei Leiter U, V, W in einer Ebene zu einem Formdrahtgebilde vor der Anordnung auf die Polzähne ausgebildet wird und im Anschluss zwischen die Polzähne eingelegt wird. Die elektrischen Leiter der Matte sind aus Kupfer ausgebildet oder weisen zumindest teilweise Kupfer auf. Die elektrischen Leiter weisen einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, bezogen auf dessen Längsrichtung, auf. Zudem können die Leiter eine isolierende Beschichtung aufweisen, so dass die Lagen der Statorwicklung galvanisch voneinander getrennt sind.

Ausgehend von der Innenseite des Jochs ist zwischen zwei Polzähnen, die nebeneinander angeordnet sind, eine sich in radialer Richtung des Jochs nach außen erstreckende Ausnehmung ausgebildet. Die Ausnehmung kann vorzugsweise auch als Nut bezeichnet werden, die sich in Längsrichtung des Jochs zwischen den Polzähnen erstreckt, wobei die Nutöffnung in radialer Richtung des Jochs nach innen gerichtet ist. In der Ausnehmung ist ein mit einem Kühlmedium durchström barer erster Kühlkanal angeordnet und/oder ausgebildet ist, der sich in Längsrichtung des Stators erstreckt. Der erste Kühlkanal liegt zumindest abschnittsweise unmittelbar an einer die Ausnehmung definierende Wandung und/oder abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung an. Unmittelbar anliegend bedeutet, dass ein den ersten Kühlkanal ausbildendes Wandungsmaterial im direkten Kontakt mit dem Joch und/oder mit einer isolierenden Ummantelung eines elektrischen Leiters der Statorwicklung ist. Der erste Kühlkanal ist folglich in der Ausnehmung angeordnet, wodurch eine im Stator integrierte Kühlung bereitgestellt wird. Durch den direkten, also unmittelbaren, Kontakt des ersten Kühlkanals zum Joch bzw. zur Statorwicklung kann eine Kühlung des Stators unmittelbar an der Statorwicklung erfolgen, wodurch die Kühlung des Stators erhöht und die Performance der elektrischen Maschine gesteigert werden kann.

Alternativ und/oder in Ergänzung zum ersten Kühlkanal kann vorgesehen sein, dass zwischen einer in radialer Richtung des Stators nach innen gerichteten Wicklungsinnenseite der Statorwicklung und einem Polschuh des Polzahns ein mit dem Kühlmedium durchström barer zweiter Kühlkanal ausgebildet ist. Der zweite Kühlkanal liegt zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Statorwicklung und/oder am Polschuh an. Unmittelbar bedeutet, dass ein den zweiten Kühlkanal ausbildendes Wandungsmaterial im direkten Kontakt mit einem elektrischen Leiter der Statorwicklung oder mit dem Polzahn ist. Der zweite Kühlkanal ist somit zwischen den Polzähnen in unmittelbarer zur Statorinnenseite angeordnet. Durch den direkten, also unmittelbaren, Kontakt des ersten Kühlkanals zur Statorwicklung bzw. zum Polschuh kann eine Kühlung des Stators unmittelbar an der Statorwicklung nahe eines Rotors erfolgen, wodurch die Kühlung des Stators erhöht und die Performance der elektrischen Maschine gesteigert werden kann.

Durch die im Stator integrierte Kühlung in Folge des ersten Kühlkanals und/oder des zweiten Kühlkanals kann zudem der Bauraum des Stators und/oder der elektrischen Maschine reduziert werden.

Das Kühlmedium ist vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit kann ein Öl oder Wasser sein.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kühlkanal bis zur Innenseite des Jochs geführt. Dies bedeutet, dass die Statorwicklung in einem Zwischenraum zwischen den Polzähnen, bezogen auf die radiale Richtung des Jochs, bis zur Innenseite geführt ist, und der erste Kühlkanal unmittelbar zumindest abschnittsweise an der Statorwicklung anliegt. Auf diese Weise kann der Zwischenraum maximal mit der Statorwicklung ausgefüllt sein wodurch eine hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erzielt werden kann. Durch die Anordnung des Kühlkanals in der Ausnehmung des Jochs mit direktem Kontakt zur Statorwicklung kann eine effiziente Kühlung erfolgen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kühlkanal ausgehend von der Ausnehmung bis in einen Zwischenraum zwischen den Polzähnen geführt ist. Auf diese Weise kann die Kühlung des Stators nicht nur auf Höhe des Jochs, bezogen auf dessen Umfangsrichtung erfolgen, sondern auch auf Höhe der Polzähne, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators. Somit kann eine wirksame Kühlung im Bereich der Statorwicklung erzielt werden.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Statorwicklung, bezogen auf die radiale Richtung des Stators, einlagig ausgebildet ist, wobei eine in radialer Richtung des Stators nach außen gerichtete Seite der einlagigen Statorwicklung gegen den ersten Kühlkanal zumindest abschnittsweise anliegt und/oder eine in radialer Richtung des Stators nach innen gerichteten Seite gegen den zweiten Kühlkanal anliegt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Statorwicklung, bezogen auf die radiale Richtung des Stators, mehrlagig ausgebildet ist, und zwischen zwei Polzähnen, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators, einlagig ausgebildet ist. Durch die einlagige Anordnung der Statorwicklung zwischen zwei Polzähnen, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators, kann die Statorwicklung in einfacher Weise eingelegt werden. Wenn der Zwischenraum zwischen zwei Polzähnen in Umfangsrichtung des Stators unwesentlich breiter ist als die Breite der Statorwicklung, kann diese zudem in einfacherweise lagesicher zwischen den Polzähnen angeordnet werden. Über die Mehrlagigkeit der Statorwicklung in radialer Richtung kann der Füllgrad der Statorwicklung zwischen den Polzähnen entsprechend erhöht werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erhöht werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal stirnseitig und/oder endseitig des Stators mit einem ersten Ringkanal verbunden ist und/oder der zweite Kühlkanal stirnseitig und/oder endseitig mit einem zweiten Ringkanal verbunden ist. Der Stator weist demnach an dessen axialem Ende eine Stirnseite oder Endseite auf. An den ersten Ringkanal ist der erste Kühlkanal fluiddicht und/oder mediendicht angebunden, so dass das Kühlmedium von dem ersten Kühlkanal in den ersten Ringkanal übertreten und/oder strömen kann. Ebenso mündet der zweite Kühlkanal in einen zweiten Ringkanal. Der erste Ringkanal kann einerseits ein Bogensegment sein, dass stirnseitig am Stator zwei zueinander beabstandet angeordnete erste Kühlkanäle miteinander verbindet. Ebenso kann der erste Ringkanal aber auch kreisringförmig ausgebildet sein, um mehrere erste Kühlkanäle fluidtechnisch miteinander zu verbinden. Der erste Ringkanal kann einen Auslass und/oder einen Einlass aufweisen. Über den Einlass kann das kalte Kühlmedium zugeführt werden. Über den Auslass wird das erwärmte Kühlmedium abgeführt. Der kreisringförmig ausgebildete erste Ringkanal kann vorzugsweise den stirnseitig am Stator ausgebildeten Wicklungskopf der Statorwicklung auf dessen äußerer Umfangsseite und/oder auf dessen innerer Umfangsseite, bezogen auf die radiale Richtung des Stators, umgeben. Die Ausführungen zur Ausgestaltung des ersten Ringkanals zur Anbindung mit den ersten Kühlkanal gelten entsprechend für den zweiten Ringkanal zur fluidtechnischen Verbindung mit dem zweiten Kühlkanal. Ebenso ist denkbar und besonders bevorzugt vorgesehen, dass der erste Ringkanal des ersten Kühlkanals mit dem zweiten Ringkanal des zweiten Kühlkanals fluidtechnisch miteinander verbunden ist.

Grundsätzlich können der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal derart ausgebildet sein, dass diese ein Kühlmedium leiten können, temperaturbeständig sind und eine erhöhte Resistenz gegen korrosive Medien aufweisen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sind. Das Kunststoffmatenal kann vorzugsweise ein duroplastischer Kunststoff sein.

Kunststoffe weisen eine erhöhte Resistenz gegen aggressive und korrosive Medien auf. Duroplaste haben eine erhöhte Temperaturbeständigkeit. Zudem sind Kunststoffe sehr leicht, so dass ein Kühlkanal bereitgestellt werden kann, der temperaturbeständig ist, ein reduziertes Gewicht aufweisen kann und geeignet für aggressive Umgebungsmedien ist.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Polschuhe zweiter benachbarter Polzähne spaltfrei ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist zwischen den einzelnen Polschuhen kein Spalt ausgebildet, durch den die Statorwicklung in den Zwischenraum eingeführt werden könnte. Die spaltfreie Ausbildung der Polschuhe, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators, kann vorteilhaft für das Drehmoment der elektrischen Maschine sein.

Die Polzähne sind mit der Innenseite des Jochs formschlüssig verbunden. Der Formschluss kann auf unterschiedlichste Art und Weise erfolgen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Polzähne über eine schwalbenschwanzförmige Verbindung mit dem Joch verbunden sind. Anders ausgedrückt weist ein Polzahn in der Regel einen Polschaft auf, wobei an den Polschaft in radialer Richtung des Stators angrenzenden der Polschuh ausgebildet ist. Eine Breite des Polschuhs, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators, ist größer als eine Breite des Polschafts, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators. Mit anderen Worten ist der Polzahn hammerkopfartig ausgebildet. Auf einer dem Polschuh abgewandten Seite weist der Polzahn einen schwalbenschwanzförmigen Vorsprung auf, der in eine zu dem schwalbenschwanzförmigen Vorsprung korrespondierende Ausnehmung auf der Innenseite des Jochs eingreift. Ein derartiger schwalbenschwanzförmiger Formschluss bildet eine sichere und steife Verbindung zwischen Polzahn und Joch, was sich positiv auf die Geräuschentwicklung der elektrischen Maschine, insbesondere auf das Noise, Vibration und Harshness-Verhalten (NVH) auswirken kann.

Denkbar ist, dass eine Tiefe der Ausnehmung in radialer Richtung in etwa einer Breite der Ausnehmung in Umfangsrichtung des Jochs nahe der Innenseite entspricht. In etwa bedeutet, dass, bezogen auf die Breite der Ausnehmung in Umfangsrichtung des Jochs an der Innenseite, die Tiefe entweder maximal 30 % größer oder maximal 30 % kleiner ist als die Breite der Ausnehmung. Dabei sind die Grenzen mit inbegriffen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung, bezogen auf den Querschnitt des Jochs, ausgehend von der Innenseite in radialer Richtung nach außen, aufweitend ausgebildet ist. Mit anderen Worten nimmt der Querschnitt der Ausnehmung und/oder der Nut über dessen Tiefe, ausgehend von der Innenseite, in radialer Richtung des Jochs zu. Auf diese Weise kann der erste Kühlkanal in die Ausnehmung formschlüssig werden, wodurch eine lagesichere Fixierung des Kühlkanals in der Ausnehmung ermöglicht werden kann.

Ein Innendurchmesser des Kühlkanals kann vorzugsweise rund ausgebildet sein. Denkbar ist aber auch, dass der Innendurchmesser eine ovale und/oder eckige, beispielsweise viereckige, Ausgestaltung aufweist. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Joch auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite eine Jochaußenseite aufweist, und der Stator in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei zwischen der Jochaußenseite und dem Gehäuse ein dritter Kühlkanal ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Kühlleistung der elektrischen Maschine erhöht werden, da neben der integrierten Statorkühlung über den ersten Kühlkanal und/oder den zweiten Kühlkanal noch zusätzlich der dritte Kühlkanal vorgesehen ist, um die elektrische Maschine zu kühlen.

Der dritte Kühlkanal verläuft vorzugsweise in Längsrichtung des Stators. Der dritte Kühlkanal kann mehrere parallelzueinander angeordnete dritte Kühlkanäle aufweisen, die endseitig des Stators in einen dritten Ringkanal münden.

Vorzugsweise ist der dritte Kühlkanal fluidtechnisch mit dem ersten Kühlkanal und/oder dem zweiten Kühlkanal verbunden ist. Beispielsweise ist der dritte Ringkanal fluidtechnisch mit dem ersten Ringkanal und/oder dem zweiten Ringkanal gekoppelt.

Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stators, wobei der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal durch einen Overmoldvorgang und/oder einen Transfermoldvorgang ausgebildet werden. Auf diese Weise können der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal in einfacher und preiswerter Weise, vorzugsweise aus Kunststoff, ausgebildet werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal nach der formschlüssigen Anordnung der die Statorwicklung aufweisenden Polzähne auf dem Joch ausgebildet wird. Mit anderen Worten wird zunächst die Statorwicklung in den Zwischenraum zwischen den Polzähnen angeordnet. Im Anschluss daran werden die Polzähne mit dem Joch formschlüssig verbunden und der Wickelkopf wird ausgebildet. In einem weiteren Schritt werden der erste Kühlkanal und/oder zweite Kühlkanal ausgebildet. Dazu kann vorgesehen sein, dass zur Ausbildung des erste Kühlkanals eine Lanze in Längsrichtung des Stators in die Ausnehmung geführt wird, und der Ringraum zwischen der Lanze, der Wandung der Ausnehmung und der Statorwicklung vergossen wird. Auf diese Weise können der integrierte erste Kühlkanal preiswert hergestellt werden. Zudem kann eine optimale thermische Anbindung des ersten Kühlkanals an das Joch und die Statorwicklung erzielt werden. Zur Ausbildung des zweiten Kühlkanals wird eine Lanze zwischen Wicklungsinnenseite und die Polschuhe geführt und im Anschluss wird der Ringraum ausgespritzt, wodurch eine optimale thermische Anbindung des zweiten Kühlkanals an die Statorwicklung und den Polzahn erzielt werden. Überdies kann die Statorwicklung im Zwischenraum zwischen den Polzähnen über das Vergießen lagesicherfixiert werden.

Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Stator. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise ein Traktionsantrieb in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug.

Die vorteilhafte Ausgestaltung des Stators findet ebenfalls Anwendung auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine und/oder das erfindungsgemäße Verfahren. Dies gilt ebenso umgekehrt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.

Die Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne und/oder mehrere der in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

In diesen zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Stators im Querschnitt mit ersten Kühlkanälen; Fig. 2 einen Ausschnitt des Stators im Querschnitt ohne Statorwicklung mit ersten Kühlkanälen;

Fig. 3 einen Ausschnitt des Stators im Querschnitt mit zweiten Kühlkanälen und dritten Kühlkanälen,

Fig. 4 eine dreidimensionale Ansicht eines Ausschnitts des Stators mit den zweiten und den dritten Kühlkanälen.

Fig. 5 eine dreidimensionale Ansicht der zweiten und dritten Kühlkanäle mit den entsprechenden Ringkanälen

Fig. 6 eine schematische Ansicht eine Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine, die den Stator aufweist;

Fig. 7 ein Verfahren zur Herstellung des Stators.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt bzw. eine Detailansicht eines Stators 10 in einem Querschnitt des Stators 10 gezeigt. Der Stator 10 weist ein ringförmig ausgebildetes Joch 12 auf. Das Joch 12 kann auch als Jochring bezeichnet werden. Für gewöhnlich wird das Joch 12 durch eine Mehrzahl von ringförmig ausgestanzten Blechen gebildet, die in axialer Richtung des Stators 10 hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Die Bleche sich vorzugsweise weichmagnetische Elektrobleche. Die Verbindung kann beispielsweise eine Schweißverbindung oder eine Klebeverbindung sein. Auf einer in radialer Richtung des Jochs 12 nach innen gerichteten Seite weist das Joch 12 eine Innenseite 14 auf. Auf der Innenseite 14 ist eine Mehrzahl von Polzähnen 16 zumindest formschlüssig angeordnet. Zumindest teilweise formschlüssig verbunden bedeutet, dass in Ergänzung zum Formschluss beispielsweise noch eine stoffschlüssige Verbindung der Polzähne 16 zum Joch 12 vorgesehen sein kann, um die Steifigkeit der Anbindung der Polzähne 16 an das Joch 12 zu erhöhen.

Ein Polzahn 16 weist in der Regel einen Polschaft 18 und einen an den Polschaft 18 in radialer Richtung des Stators 10 angrenzenden Polschuh 20 auf. Eine Breite des Polschuhs 20, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators 10, ist größer als eine Breite des Polschafts 18, bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators 10. Mit anderen Worten ist der Polzahn 16 hammerkopfartig ausgebildet. Auf einer dem Polschuh 20 abgewandten Seite weist der Polzahn 16 einen schwalbenschwanzförmigen Vorsprung 22 auf, der in eine zu dem schwalbenschwanzförmigen Vorsprung 22 korrespondierende Ausnehmung 24 auf der Innenseite 14 des Jochs 12 eingreift. Ein derartiger Formschluss bildet eine sichere Verbindung zwischen Polzahn 16 und Joch 12.

Die Polzähne 16 sind in Umfangsrichtung des Jochs 12 zueinander beabstandet angeordnet. Denkbar ist, dass die Polzähne 16 als Einzelzahn ausgebildet sind. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Polzähne 16 an einer dem Joch 12 abgewandten Außenseite 26 über einen schmalen Steg 28 in Umfangsrichtung des Stators 10 miteinander verbunden sind. Anders ausgedrückt sind die Polschuhe 20 zweier nebeneinander angeordneter Polzähne 16 in Umfangsrichtung des Stator 10 spaltfrei zueinander ausgebildet.

Der Abstand der Polzähne 16, insbesondere der Polschäfte 18, zueinander in Umfangsrichtung des Jochs 12 ist ein gleichmäßiger bzw. regelmäßiger Abstand. Zwischen den Polzähnen 16 bzw. der Polschäfte 18 ist eine als Matte ausgebildete Statorwicklung 29 angeordnet, die sich in Längsrichtung des Stators 10 erstreckt und stirnseitig am Stator 10 zu einem Wicklungskopf (nicht dargestellt) ausgebildet ist.

Ausgehend von der Innenseite 14 des Jochs 12 ist zwischen zwei Polzähnen 16, die nebeneinander angeordnet sind, eine sich in radialer Richtung des Jochs 12 nach außen erstreckende Ausnehmung 30 ausgebildet. Die Ausnehmung 30 kann vorzugsweise auch als Nut bezeichnet werden, die sich in Längsrichtung des Jochs 12 zwischen den Polzähnen 16 erstreckt, wobei eine Nutöffnung 32 der Ausnehmung 30 in radialer Richtung des Jochs 12 nach innen gerichtet ist. In der Ausnehmung 30 ist ein mit einem Kühlmedium durchström barer erster Kühlkanal 34 angeordnet, der sich in Längsrichtung des Stators 10 erstreckt. Das Kühlmedium ist vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit kann ein Öl oder Wasser sein. Der erste Kühlkanal 34 ist in der Ausnehmung 30 angeordnet, wodurch eine im Stator 10 integrierte Kühlung bereitgestellt wird. Der erste Kühlkanal 34 liegt einerseits an einer die Ausnehmung 30 definierende Wandung 36 an und andererseits zumindest abschnittsweise an der Statorwicklung

29 unmittelbar an. Durch den unmittelbaren, also direkten Kontakt des ersten Kühlkanals 34 an einen Teilbereich der Statorwicklung 29 und an die Wandung 36 der Ausnehmung 30 kann eine effiziente Kühlung des Stators 10 erfolgen, wodurch zugleich die Performance der elektrischen Maschine 40 erhöht werden kann. Durch die im Stator 10 integrierte Kühlung kann zudem der Bauraum des Stators 10 und/oder der elektrischen Maschine 40 reduziert werden.

Eine Tiefe der Ausnehmung 30 in radialer Richtung des Jochs 12 entspricht in etwa einer Breite der Ausnehmung 30 in Umfangsrichtung des Jochs 12 nahe bzw. auf der Innenseite 14. In etwa bedeutet, dass bezogen auf die Breite der Ausnehmung

30 in Umfangsrichtung des Jochs 12 auf der Innenseite 14, die Tiefe entweder bis zu maximal 30 % größer oder bis zu maximal 30 % kleiner ist als die Breite der Ausnehmung 30. Die Grenzen sind dabei eingeschlossen.

Die Ausnehmung 30 ist, bezogen auf den Querschnitt des Jochs 12, ausgehend von der Innenseite 14 in radialer Richtung nach außen aufweitend ausgebildet. Mit anderen Worten nimmt der Querschnitt der Ausnehmung 30 und/oder der Nut, ausgehend von der Innenseite 14, in radialer Richtung des Jochs 12 zu. Auf diese Weise kann der erste Kühlkanal 34 vorzugsweise lagesicher in der Ausnehmung 30 positioniert werden.

Die Statorwicklung 29 ist, bezogen auf die radiale Richtung des Stators 10, mehrlagig ausgebildet ist, wobei die radial äußere Lage der Statorwicklung 29 an dem ersten Kühlkanal 34 zumindest abschnittsweise anliegt. Bezogen auf die Umfangsrichtung des Stators ist die Statorwicklung 29 zwischen zwei Polzähnen 16 einlagig ausgebildet. Die in radialer Richtung nebeneinander angeordnete Statorwicklung 29 wird durch die Matte bzw. Formdrahtwicklung gebildet, wobei der elektrische Leiter der Formdrahtwicklung aus Kupfer ausgebildet ist und/oder zumindest teilweise Kupfer aufweist. Der elektrische Leiter weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, bezogen auf dessen Längsrichtung, auf. Die Statorwicklung 29 ist innerhalb des durch die Polzähne 16 begrenzten Zwischenraums in radialer Richtung nebeneinander angeordnet, wobei die nebeneinander angeordneten elektrischen Leiter voneinander galvanisch isoliert angeordnet sind und/oder eine isolierende Beschichtung aufweisen.

In Fig. 2 ist ein weiterer Ausschnitt bzw. eine Detailansicht des aus Fig. 1 bekannten Stators 10 gezeigt, wobei die Statorwicklung 29 nicht dargestellt ist. Der erste Kühlkanal 34 kann in die Ausnehmung 30 auf unterschiedliche Art und Weise angeordnet werden. Denkbar ist, dass der erste Kühlkanal 34 als Schlauch ausgebildet ist. Es kann vorgesehen sein, dass, bevor die Polzähne 16 mit dem Joch 12 verbunden werden, der erste Kühlkanal 34 in die Ausnehmung 30 eingesetzt und/oder eingeklemmt wird. Dabei ist denkbar, dass der erste Kühlkanal 34 auch zumindest abschnittsweise über die Innenseite 14 in Richtung des Polzähne 16 übersteht. Möglich ist auch, dass der erste Kühlkanal 34 bündig mit der Innenseite 14 abschließt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Innendurchmesser des ersten Kühlkanals 34 beispielsweise einen runden oder einen eckigen Querschnitt aufweisen kann. Auch wenn nicht dargestellt, so ist vorgesehen, dass in jeder Ausnehmung 30 zwischen den Polzähnen 16 ein erster Kühlkanal 34 angeordnet wird. Dies gilt auch für die Fig. 1 , wo nur ein erster Kühlkanal 34 gezeigt ist.

In Fig. 3 ist ein Ausschnitt des Stators 10 gezeigt, wobei der Stator 10 im Unterschied zu den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Stator 10 nunmehr einen zweiten Kühlkanal 44 aufweist. Der zweite Kühlkanal 44 ist zwischen zwei benachbarten Polzähnen 16 zwischen einer in radialer Richtung des Stators 10 nach innen gerichteten Wicklungsinnenseite 46 der Statorwicklung 29 und einem Polschuh 20 des Polzahns 16 angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass der zweite Kühlkanal 44 zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Wicklungsinnenseite 46 der Statorwicklung 29 und am Polschuh 20 zumindest abschnittsweise anliegt. Unmittelbar bedeutet, dass eine den zweiten Kühlkanal 44 bildende Wandung. Wie auch immer diese ausgebildet sein mag, zumindest abschnittsweise in direktem Kontakt im dem Polschuh 20 und/oder mit einem elektrischen Leiter der Statorwicklung 29, insbesondere mit der isolierenden Ummantelung des elektrischen Leiters der Wicklungsinnenseite 46 der Statorwicklung 29, ist. Durch den direkten Kontakt des zweiten Kühlkanals 44 zur Statorwicklung 29 und zum Polzahn 16 kann die Kühlwirkung erhöht werden.

In Fig. 4 ist eine dreidimensionale Ansicht des aus Fig. 3 bekannten Stators 10 für die elektrischen Maschine 40 gezeigt. Der Stator 10 ist in einem Gehäuse 49 der elektrischen Maschine 40 angeordnet. Zwischen einer in radialer Richtung des Stators 10 nach außen gerichtenten Jochaußenseite 48 und dem Gehäuse 49 ist ein dritter Kühlkanal 50 angeordnet und/oder ausgebildet. Der dritte Kühlkanal 50 ist im wesentlichen U-förmig ausgebildet, wobei die Enden der aufrechten Stege des U-förmigen dritten Kühlkanals 50 gegen das Gehäuse 49 abdichten und somit den dritten Kühlkanal 50 ausbilden. Durch die unmittelbare Anbindung des dritten Kühlkanals 50 an das Joch 12 und an das Gehäuse 49 kann ebenfalls eine erhöhte Kühlwirkung erzielt werden.

Fig. 5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des zweiten Kühlkanals 44 und des dritten Kühlkanals 50 gezeigt. Der zweite Kühlkanal 44 endet an dem jeweils distalen Ende in einen zweiten Ringkanal 52. Der dritte Kühlkanal 50 mündet an dessen distalen Ende in einen dritten Ringkanal 54. Auf diese Weise kann das Kühlmedium entsprechend über den jeweiligen Ringkanal 52, 54 verteilt werden. Auch wenn nicht dargestellt, so kann vorgesehen sein, dass der zweite Ringkanal 52 und der dritte Ringkanal 54 fluidtechnisch miteinander verbunden sind.

Fig. 6 zeigt ein Kraftfahrzeug 38. Das Kraftfahrzeug 38 ist ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs 38 ist eine elektrische Maschine 40 angeordnet, in der der Stator 10 angeordnet ist.

Fig. 7 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Stators 10. In einem ersten Schritt 100 wird ein kreisringförmiges Joch 12 bereitgestellt, dass auf der Innenseite 14 abwechselnd Ausnehmungen 30 zur Aufnahme des ersten Kühlkanals 34 und zu den schwalbenschwanzförmigen Vorsprüngen 22 der Polzähne 16 korrespondierende Aufnahmen 24 aufweist. In einem zweiten Schritt 110 werden die Polzähne16 bereitgestellt, wobei zwischen die zueinander beabstandeten Polzähne 16, ausgehend von einer dem Polschuh 20 abgewandten Seite, eine Endlos-Statorwicklung 29 mehrlagig angeordnet wird.

In einem dritten Schritt 120 werden die die Statorwicklung 29 aufweisenden Polzähne 16 mit dem Joch 12 formschlüssig verbunden, so dass die schwabenschwanzförmigen Vorsprünge 22 der Polschuhe 16 in die entsprechend korrespondierenden Aufnahmen 24 des Jochs 12 eingreifen. Zudem wird der Wicklungskopf ausgebildet.

In einem vierten Schritt werden der erste Kühlkanal 34 und/oder der zweite Kühlkanal 44 ausgebildet.

Zur Ausbildung des ersten Kühlkanals 34 wird in die Ausnehmung 30 bzw. wird in die Mehrzahl der Ausnehmungen 30 jeweils ein erster Kühlkanal 34 durch einen Overmold- und/oder Transfermoldvorgang ausgebildet. Hierzu wird beispielsweise eine Lanze in Längsrichtung des Stators 10 in die Ausnehmung 30 geführt. Im Anschluss wird der Ringraum zwischen der Lanze, der Wandung 36 der Ausnehmung 30 und der Statorwicklung 29 vergossen. Auf diese Weise kann der integrierte erste Kühlkanal 34 preiswert hergestellt werden und eine optimale thermische Anbindung an das Joch 12 und die Statorwicklung 29 aufweisen. Zudem kann die Statorwicklung 29 im Zwischenraum zwischen den Polzähnen 16 über das Vergießen lagesicher angeordnet werden. Denkbar ist, dass durch den Transfermoldvorgang auch der Wicklungskopf und eine äußere Mantelfläche 42 des Jochs 12, die beabstandet zur Innenseite 14 angeordnet ist, mit Kunststoff vergossen und/oder umspritzt wird.

Zur Ausbildung des zweiten Kühlkanals 44 wird in den Zwischenraum zwischen der Wicklungsinnenseite 46 und den Polschuhen 20 zweier benachbarter Polzähne 16 eine Lanze eingeführt und der Ringraum zwischen der Lanze und der Statorwicklung 29 bzw. zwischen der Lanze und den Polschuhen 20 wird mit einem Kunststoff vergossen und/oder ausgespritzt.