WO2024255969A1 - Statoranordnung, axialflussmaschine und verfahren zur herstellung einer axialflussmaschine - Google Patents

Statoranordnung, axialflussmaschine und verfahren zur herstellung einer axialflussmaschine Download PDF

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    • H02K1/20—Stationary parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium

Definitions

  • the present invention relates to a stator arrangement for an electrical axial flux machine comprising a stator and a stator receptacle connected to the stator, wherein the stator has a disk-shaped stator yoke from which a plurality of stator teeth extend axially.
  • Electric motors are increasingly being used to power motor vehicles in order to create alternatives to combustion engines that require fossil fuels.
  • Considerable efforts have already been made to improve the everyday suitability of electric drives and to offer users the driving comfort they are used to.
  • An axial flux machine is a dynamoelectric machine in which the magnetic flux between the rotor and stator runs parallel to the axis of rotation of the rotor. Often both the stator and the rotor are largely disk-shaped. Axial flux machines are particularly advantageous when the The axially available installation space is limited in a given application. This is often the case, for example, with the electric drive systems for electric vehicles described at the beginning.
  • another advantage of the axial flux machine is its comparatively high torque density. The reason for this is the larger air gap area that is available in a given installation space compared to radial flux machines. Furthermore, a smaller iron volume is required compared to conventional machines, which has a positive effect on the efficiency of the machine.
  • a stator arrangement for an electric axial flux machine comprising a stator and a stator receptacle connected to the stator, wherein the stator has a disk-shaped stator yoke from which a plurality of stator teeth extend axially, wherein the stator receptacle has rivet lugs extending axially from the stator receptacle, which each engage in an opening having an undercut and extending axially into the stator yoke and rest against the undercut, so that the stator is fixed axially and radially to the stator receptacle via the rivet connections formed.
  • stator can be easily attached to the stator holder.
  • the rivet connections between the stator and the stator holder enable a stable and reliable connection that can withstand both axial and radial loads.
  • the rivet lugs help to align the components with each other.
  • the rivet lugs are preferably formed monolithically with the stator holder.
  • the rotor is arranged axially next to a stator or between two stators.
  • two rotors are arranged on opposite axial sides of a stator.
  • the axial flow machine according to the invention is preferably configured in an I-arrangement.
  • the axial flux machine consists of exactly one stator and exactly one rotor.
  • rotor-stator configurations as I-type and/or H-type to be arranged axially next to one another.
  • the rotor-stator configurations of the H-type and/or the I-type it is also preferable for the rotor-stator configurations of the H-type and/or the I-type to be essentially identical so that they can be combined in a modular manner to form an overall configuration.
  • Such rotor-stator configurations can in particular be arranged coaxially to one another and connected to a common rotor shaft or to several rotor shafts.
  • the stator of the electric axial flux machine preferably has a stator body with several stator windings arranged in the circumferential direction.
  • the stator body can be designed as a single piece or in segments when viewed in the circumferential direction.
  • the stator body can be formed from a stator lamination package with several laminated electrical lamination layers.
  • the stator body can also be formed from a pressed soft magnetic material, such as the so-called SMC material (Soft Magnetic Compound).
  • the rotor of an electric axial flux machine can be designed at least in part as a laminated rotor.
  • a laminated rotor is designed in a layered manner in the radial direction.
  • the rotor of an axial flux machine can alternatively also have a rotor carrier which is accordingly coated with magnetic sheets and/or SMC Material and is equipped with magnetic elements designed as permanent magnets.
  • the rotor does not have any other magnetically conductive materials besides the permanent magnets.
  • the permanent magnets can also be accommodated in a rotor made entirely or partially from a plastic.
  • a rotor shaft is a rotatably mounted shaft of an electrical machine to which the rotor or rotor body is rotationally fixedly coupled.
  • the electric axial flow machine can also have a control device.
  • a control device as can be used in the present invention serves in particular for the electronic control and/or regulation of one or more technical systems of the electric axial flow machine.
  • a control device has in particular a wired or wireless signal input for receiving in particular electrical signals, such as sensor signals. Furthermore, a control device also preferably has a wired or wireless signal output for transmitting in particular electrical signals.
  • Control operations and/or regulation operations can be carried out within the control device. It is particularly preferred that the control device comprises hardware that is designed to execute software.
  • the control device preferably comprises at least one electronic processor for executing program sequences defined in software.
  • the control device can also have one or more electronic memories in which the data contained in the signals transmitted to the control device can be stored and read out again.
  • the control device can also have one or more electronic memories in which data can be stored in a changeable and/or unchangeable manner.
  • a control device can comprise a plurality of control units, which are arranged in particular spatially separated from one another in the motor vehicle. Control units are also referred to as electronic control units (ECUs) or electronic control modules (ECMs) and preferably have electronic microcontrollers for carrying out computing operations for processing data, particularly preferably using software.
  • the control units can preferably be networked with one another, so that a wired and/or wireless data exchange between control units is possible. In particular, it is also possible to network the control units with one another via bus systems present in the motor vehicle, such as CAN bus or LIN bus.
  • control device has at least one processor and at least one memory, which in particular contains a computer program code, wherein the memory and the computer program code are configured, with the processor, to cause the control device to execute the computer program code.
  • the control unit can particularly preferably comprise power electronics for supplying current to the stator or rotor.
  • Power electronics is preferably a combination of different components which control or regulate a current to the electrical machine, preferably including the peripheral components required for this purpose, such as cooling elements or power supplies.
  • the power electronics contains one or more power electronic components which are designed to control or regulate a current. This is particularly preferably one or more power switches, e.g.
  • the power electronics particularly preferably have more than two, particularly preferably three separate phases or current paths, each with at least one separate power electronics component.
  • the power electronics are preferably designed to control or regulate a power with a peak power, preferably continuous power, of at least 1,000 W, preferably at least 10,000 W, particularly preferably at least 100,000 W per phase.
  • the electric axial flux machine is particularly intended for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle.
  • the electric machine is dimensioned such that vehicle speeds greater than 50 km/h, preferably greater than 80 km/h and in particular greater than 100 km/h can be achieved.
  • the electric motor particularly preferably has an output greater than 50 kW, preferably greater than 100 kW and in particular greater than 250 kW.
  • the electric machine provides operating speeds greater than 5,000 rpm, particularly preferably greater than 10,000 rpm, very particularly preferably greater than 12,500 rpm.
  • the electric machine most preferably has operating speeds between 5,000-15,000 rpm, extremely preferably between 7,500-13,000 rpm.
  • the electric axial flux machine can preferably also be installed in an electrically operated axle drive train.
  • An electric axle drive train of a motor vehicle comprises an electric axial flux machine and a transmission, wherein the electric axial flux machine and the transmission form a structural unit.
  • the electric axial flux machine and the transmission are arranged in a common drive train housing.
  • the electric axial flux machine it would of course also be possible for the electric axial flux machine to have a motor housing and the transmission to have a transmission housing, wherein the structural unit can then be effected by fixing the transmission relative to the electric axial flux machine.
  • This structural unit is sometimes also referred to as an E-axle.
  • the electric axial flux machine can particularly preferably also be provided for use in a hybrid module.
  • a hybrid module structural and functional elements of a hybridized drive train can be spatially and/or structurally combined and preconfigured so that a hybrid module can be integrated into a drive train of a motor vehicle in a particularly simple manner.
  • an axial flux machine and a clutch system can be present.
  • the stator holder can be designed as a plate at least in sections; the stator holder is particularly preferably designed as a shell, in which a plate-shaped base is surrounded by a rim extending from it.
  • the stator holder is most preferably formed from a sheet metal. In principle, it would also be possible to form the stator holder from a plastic.
  • At least one of the openings preferably a plurality of the openings, particularly preferably all openings each have a base from which a dome extends axially in the direction of the rivet lug, which engages in a rivet head of the rivet lug.
  • the advantage of this embodiment is that the rivet head of the rivet lug is shaped after the rivet connection has been made in such a way that the pressure in the area of the flanks of the mandrel is increased.
  • the mandrel preferably has a V-shaped contour.
  • the stator yoke is formed from a plurality of axially stacked stator laminations.
  • the advantage of a stator arrangement in which the stator yoke is formed from a plurality of axially stacked stator laminations is that this leads to a higher magnetic efficiency of the machine.
  • the losses due to eddy currents and hysteresis can be minimized because the laminations are able to conduct and distribute the magnetic energy more efficiently.
  • the use of stacked laminations is cost-effective and enables the stator arrangement to be manufactured more easily.
  • the openings and the respective undercuts are formed by punching out the corresponding stator sheets.
  • the advantage of a stator arrangement in which the openings and the respective undercuts are formed by punching out the corresponding stator sheets is, among other things, that this contributes to cost-efficient production. Instead of producing the openings and undercuts separately, they can punched directly into the stator laminations, saving time and material. In addition, this leads to greater accuracy and precision of the stator assembly, as the punching enables uniform and consistent shaping.
  • the stator yoke is formed from a solid material and the undercuts of the openings are formed by an additional sheet attached to the stator yoke.
  • a significant advantage of such a stator arrangement is that if the stator yoke is formed from a solid material and the undercuts of the openings are formed by an additional sheet attached to the stator yoke, this leads to greater stability and rigidity of the stator yoke.
  • the stator yoke can have a higher mechanical strength, which leads to improved stability of the entire machine.
  • the additional sheet enables the undercuts to be produced more easily, since it can be produced separately and then attached to the stator yoke.
  • the additional sheet can, for example, be attached to the stator yoke in a material-to-material manner using a welding process, in particular using a laser welding process. It is also possible to form cooling channels from the thin sheet metal to cool the stator.
  • the invention can also be further developed in such a way that a fluid can flow through the openings during operation of the axial flow machine.
  • the advantage of this design is that it enables effective cooling of the machine. Flowing a fluid such as oil, air or water through the openings enables efficient heat dissipation from the area of the stator yoke, which leads to improved performance and efficiency. In addition, this can help to extend the service life of the machine by preventing overheating and thermal damage.
  • axial flow machine in particular for a drive train of a motor vehicle, comprising a stator arrangement according to one of claims 1-6.
  • the object of the invention can further be achieved by a method for producing a stator arrangement for an electric axial flow machine comprising the following steps:
  • stator with a disk-shaped stator yoke from which a plurality of stator teeth extend axially and openings extending axially into the stator yoke, each with an undercut
  • a stamping tool is used to form the rivet connections, which is placed on the side of the stator holder facing away from the opening and is subjected to force in the axial direction, so that at least one of the rivet lugs is axially displaced into the respective opening of the stator yoke and plastically deformed.
  • the invention can also be advantageously designed such that the punch tool has a mandrel extending axially therefrom, which can bring about an improved formation of the rivet connection.
  • Figure 1 shows an axial flow machine in I-design in a schematic axial section
  • Figure 2 shows a stator arrangement of an axial flow machine in an exploded view
  • Figure 3 shows a stator arrangement of an axial flow machine in a perspective view
  • Figure 4 shows four different designs of a stator arrangement, each in a schematic sectional view
  • Figure 5 shows a first embodiment of a stator arrangement in a view before assembly of the stator holder and formation of the rivet connection and a view after assembly of the stator holder and formation of the rivet connection
  • Figure 6 shows a second embodiment of a stator arrangement in a view before assembly of the stator holder and formation of the rivet connection and a view after assembly of the stator holder and formation of the rivet connection
  • Figure 7 shows a third embodiment of a stator arrangement in a view before assembly of the stator holder and formation of the rivet connection and a view after assembly of the stator holder and formation of the rivet connection
  • Figure 8 shows a motor vehicle with an electric drive train in a schematic representation.
  • Figure 1 shows an axial flux machine 2 in I-configuration with two axially spaced disc-shaped stators 3, between which the disc-shaped rotor 41 is rotatably mounted on the rotor shaft 42.
  • the stators 3 are fixed to a stator holder 4, which is part of a motor housing of the axial flux machine 2.
  • the axial flux machine 2 can be used in particular for a drive train 43 of a motor vehicle 44, as is also outlined in Figure 8.
  • FIGS 2-3 show a stator arrangement 1 for the electric axial flow machine 2 comprising a stator 3 and a stator holder 4 connected to the stator 3, wherein the stator 3 has a disk-shaped stator yoke 5 from which a plurality of stator teeth 6 extend axially.
  • the stator holder 4 has rivet lugs 7 extending out of the stator holder 4 in the axial direction, which each engage in an opening 9 having an undercut 8 and extending axially into the stator yoke 5 and rest against the undercut 8, so that the stator 3 is fixed axially and radially to the stator holder 4 via the rivet connections 10 formed. This can also be clearly seen when looking at Figures 4-7.
  • At least one of the openings 9, preferably a majority of the openings 9, particularly preferably all of the openings 9 each have a base 11 from which a dome 12 extends axially in the direction of the rivet projection 7, which engages in a rivet head 13 of the rivet projection 7.
  • stator yoke 5 is formed from a plurality of axially stacked stator sheets 14, wherein the openings 9 and the respective undercuts 8 are formed by punchings in the corresponding stator sheets 14.
  • FIGs 5-7 show embodiments of the stator 3 in which the stator yoke 5 is formed from a solid material.
  • the undercuts 8 of the openings 9 are formed by an additional sheet 15 attached to the stator yoke 5. It is also clear from Figures 5-7 that a fluid can flow through the openings 9 during operation of the axial flow machine 2, which can in particular improve the cooling of the stator yoke 5 during operation of the axial flow machine 2.
  • the stator arrangement 1 for the electric axial flux machine 2 can be manufactured as follows:
  • a stator 3 is provided with a disk-shaped stator yoke 5, from which a plurality of stator teeth 6 extend axially, and which have openings 9 extending axially into the stator yoke 5, each with an undercut 8. Furthermore, a stator receptacle 4 is provided, which has rivet lugs 7 extending in the axial direction from the stator receptacle 4.
  • the rivet lugs 7 are inserted into the openings 9 of the stator yoke 5 and subsequently rivet connections 10 are formed by deforming one of the rivet lugs 7 in the respectively associated opening 9, so that the stator 3 is fixed radially and axially in the stator holder 4.
  • a stamping tool 16 is used, which is placed on the side 17 of the stator holder 4 facing away from the opening 9 and is subjected to force in the axial direction, so that at least one of the rivet projections 7 is axially displaced into the respective opening 9 of the stator yoke 5 and plastically deformed.
  • the stamping tool 16 can have a mandrel 18 extending axially from it, which leads to the design of the rivet connection shown in Figure 4 d.
  • the flanks of the tip of the mandrel 18 can be used to specifically reinforce the hole bearing or the pressing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung (1) für eine elektrische Axialflussmaschine (2) umfassend einen Stator (3) und eine mit dem Stator (3) verbundene Statoraufnahme (4), wobei der Stator (3) ein scheibenförmiges Statorjoch (5) aufweist, aus dem sich axial eine Mehrzahl von Statorzähnen (6) herauserstrecken, wobei die Statoraufnahme (4) sich in axialer Richtung aus der Statoraufnahme (4) herauserstreckende Nietwarzen (7) aufweist, die in jeweils einer einen Hinterschnitt (8) aufweisenden, sich axial in das Statorjoch (5) hineinerstreckenden Öffnung (9) eingreifen und an dem Hinterschnitt (8) anliegen, so dass der Stator (3) über die ausgebildeten Nietverbindungen (10) axial wie radial an der Statoraufnahme (4) festgelegt ist.

Description

Statoranordnunq, Axialflussmaschine und Verfahren zur Herstellung einer Axialflussmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Statoranordnung für eine elektrische Axialflussmaschine umfassend einen Stator und eine mit dem Stator verbundene Statoraufnahme, wobei der Stator ein scheibenförmiges Statorjoch aufweist, aus dem sich axial eine Mehrzahl von Statorzähnen herauserstrecken.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011 , Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge, der wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferenzial oder Stirnraddifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2- Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
Zunehmend werden in derartigen E-Achsen auch Axialflussmaschinen eingesetzt. Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist beispielsweise vielfach beiden eingangs beschriebenen elektrischen Antriebsystemen für Elektrofahrzeuge der Fall. Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweisen hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine einfache sowie sichere Befestigung eines Stators einer Axialflussmaschine an einer Statoraufnahme zu realisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Statoranordnung für eine elektrische Axialflussmaschine umfassend einen Stator und eine mit dem Stator verbundene Statoraufnahme, wobei der Stator ein scheibenförmiges Statorjoch aufweist, aus dem sich axial eine Mehrzahl von Statorzähnen herauserstrecken, wobei die Statoraufnahme sich in axialer Richtung aus der Statoraufnahme herauserstreckende Nietwarzen aufweist, die in jeweils einer einen Hinterschnitt aufweisenden, sich axial in das Statorjoch hineinerstreckenden Öffnung eingreifen und an dem Hinterschnitt anliegen, so dass der Stator über die ausgebildeten Nietverbindungen axial wie radial an der Statoraufnahme festgelegt ist.
Der Vorteil einer solchen Statoranordnung für eine elektrische Axialflussmaschine besteht darin, dass der Stator auf einfache Weise an der Statoraufnahme befestigt werden kann. Die Nietverbindungen zwischen dem Stator und der Statoraufnahme ermöglichen eine stabile und zuverlässige Verbindung, die sowohl axial als auch radial belastbar ist. Beim Fügen der Bauteile zueinander helfen die Nietwarzen die Bauteile zueinander auszurichten.
Die Nietwarzen sind bevorzugt monolithisch mit der Statoraufnahme ausgebildet. Es kann, je nach Anwendungsgebiet, vorteilhaft sein, eine Axialflussmaschine in I- Anordnung oder H-Anordnung auszubilden. Bei einer I-Anordnung ist der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet. Bei einer H- Anordnung sind zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet. Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine ist bevorzugt in I- Anordnung konfiguriert.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Axialflussmaschine aus genau einem Stator und genau einem Rotor besteht.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator- Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, mehrere Rotor-Stator- Konfigurationen des I-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.
Der Stator der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine weist bevorzugt einen Statorkörper mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen auf. Der Statorkörper kann in Umfangsrichtung gesehen einteilig oder segmentiert ausgebildet sein. Der Statorkörper kann aus einem Statorblechpaket mit mehreren laminierten Elektroblechlagen gebildet sein. Alternativ kann der Statorkörper auch aus einem verpressten weichmagnetischen Material, wie dem sogenannten SMC-Material (Soft Magnetic Compound) gebildet sein.
Der Rotor einer elektrischen Axialflussmaschine kann zumindest in Teilen als geblechter Rotor ausgebildet sein. Ein geblechter Rotor ist in radialer Richtung geschichtet ausgebildet. Der Rotor einer Axialflussmaschine kann alternativ auch einen Rotorträger aufweisen, der entsprechend mit Magnetblechen und/oder SMC- Material und mit als Permanentmagneten ausgebildeten Magnetelementen bestückt ausgebildet ist. Bevorzugt weist der Rotor neben den Permanentmagneten keine weiteren magnetisch leitende Materialien auf. Insbesondere können die Permanentmagneten auch in einem ganz oder teilweise aus einem Kunststoff ausgeformten Rotor aufgenommen sein.
Als Rotorwelle wird eine drehbar gelagerte Welle einer elektrischen Maschine bezeichnet, mit der der Rotor bzw. Rotorkörper drehfest gekoppelt ist.
Die elektrische Axialflussmaschine kann ferner eine Steuereinrichtung aufweisen. Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Axialflussmaschine.
Eine Steuereinrichtung weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinrichtung ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen.
Innerhalb der Steuereinrichtung können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinrichtung eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.
Die Steuereinrichtung kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinrichtung übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinrichtung einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können. Eine Steuereinrichtung kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
Ganz besonders bevorzugt besitzt die Steuereinrichtung wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung zur Ausführung des Computerprogrammcodes zu veranlassen.
Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt eine Leistungselektronik zur Bestromung des Stators oder Rotors umfassen. Eine Leistungselektronik ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält die Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B.
Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 1.000 W, bevorzugt mindestens 10.000 W besonders bevorzugt mindestens 100.000 Wzu steuern oder regeln. Die elektrische Axialflussmaschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 50 kW, vorzugsweise größer als 100 kW und insbesondere größer als 250 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Betriebsdrehzahlen größer als 5.000 U/rnin, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/rnin, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/rnin bereitstellt. Höchst bevorzugt weist die elektrische Maschine Betriebsdrehzahlen zwischen 5.000-15.000 U/rnin, äußerst bevorzugt zwischen 7.500-13.000 U/rnin auf.
Die elektrische Axialflussmaschine kann bevorzugt auch in einem elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang verbaut sein. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Axialflussmaschine und ein Getriebe, wobei die elektrische Axialflussmaschine und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Axialflussmaschine und das Getriebe in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Axialflussmaschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung des Getriebes gegenüber der elektrischen Axialflussmaschine bewirkbar ist. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
Die elektrische Axialflussmaschine kann besonders bevorzugt auch für eine Verwendung in einem Hybridmodul vorgesehen sein. In einem Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können eine Axialflussmaschine und ein Kupplungssystem vorhanden sein. Die Statoraufnahme kann zumindest abschnittsweise plattenartig ausgebildet sein, besonders bevorzugt ist die Statoraufnahme schalenartig ausgeführt, bei der ein plattenartig ausgebildeter Boden von einem aus diesem herauserstreckenden Bord eingefasst ist. Höchst bevorzugt ist die Statoraufnahme aus einem Blech geformt. Grundsätzlich wäre es auch möglich, die Statoraufnahme aus einem Kunststoff auszubilden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Öffnungen, bevorzugt eine Mehrzahl der Öffnungen, besonders bevorzugt alle Öffnungen jeweils einen Boden aufweist/aufweisen, aus dem sich axial in Richtung zur Nietwarze ein Dom erstreckt, der in einen Nietkopf der Nietwarze eingreift. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass der Nietkopf der Nietwarze nach Herstellung er Nietverbindung so ausgeformt ist, dass die Pressung im Bereich der Flanken des Dorns erhöht wird. Bevorzugt besitzt der Dorn eine V-förmige Kontur.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Statorjoch aus einer Mehrzahl von axial gestapelten Statorblechen gebildet ist. Der Vorteil einer Statoranordnung, bei der das Statorjoch aus einer Mehrzahl von axial gestapelten Statorblechen gebildet ist, besteht darin, dass dies zu einer höheren magnetischen Effizienz der Maschine führt. Durch die Verwendung von gestapelten Blechen können die Verluste durch Wirbelströme und Hysteresis minimiert werden, da die Bleche in der Lage sind, die magnetische Energie effizienter zu leiten und zu verteilen. Darüber hinaus ist die Verwendung von gestapelten Blechen kosteneffektiv und ermöglicht eine einfachere Herstellung der Statoranordnung.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Öffnungen und die jeweiligen Hinterschnitte durch Ausstanzungen in den entsprechenden Statorblechen gebildet sind. Der Vorteil einer Statoranordnung, bei der die Öffnungen und die jeweiligen Hinterschnitte durch Ausstanzungen in den entsprechenden Statorblechen gebildet sind, besteht unter anderem darin, dass dies zu einer kosteneffizienten Herstellung beiträgt. Statt die Öffnungen und Hinterschnitte separat herzustellen, können sie direkt in die Statorbleche gestanzt werden, was Zeit und Material spart. Darüber hinaus führt dies zu einer höheren Genauigkeit und Präzision der Statoranordnung, da die Stanzung eine gleichmäßige und konsistente Formgebung ermöglicht.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Statorjoch aus einem Vollmaterial geformt und die Hinterschnitte der Öffnungen von einem an dem Statorjoch befestigten Zusatzblech gebildet sind. Ein wesentlicher Vorteil einer derartigen Statoranordnung besteht darin, dass wenn das Statorjoch aus einem Vollmaterial geformt ist und die Hinterschnitte der Öffnungen von einem an dem Statorjoch befestigten Zusatzblech gebildet werden, dies zu einer höheren Stabilität und Steifigkeit des Statorjochs führt. Durch die Verwendung eines Vollmaterials kann das Statorjoch eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen, was zu einer verbesserten Stabilität der gesamten Maschine führt. Darüber hinaus ermöglicht das Zusatzblech eine einfachere Herstellung der Hinterschnitte, da es separat hergestellt und dann an dem Statorjoch befestigt werden kann. Dadurch wird die Herstellung der Statoranordnung vereinfacht und beschleunigt, da man beispielsweise das Stanzen von filigranen Blechkonturen vermeiden kann. Das Zusatzblech kann beispielsweise stoffschlüssig, mittels Schweißverfahren, insbesondere mittels Laserschweißverfahren, an dem Statorjoch befestigt werden. Ebenso bietet es sich an, aus dem dünnen Blech Kühlkanäle zur Kühlung des Stators auszuformen.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Öffnungen im Betrieb der Axialflussmaschine von einem Fluid durchströmbar sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass dadurch eine effektive Kühlung der Maschine erreicht werden kann. Das Durchströmen der Öffnungen mit einem Fluid wie einem Öl, Luft oder Wasser ermöglicht eine effiziente Wärmeableitung aus dem Bereich des Statorjochs, was zu einer verbesserten Leistung und Effizienz führt. Darüber hinaus kann dies dazu beitragen, die Lebensdauer der Maschine zu verlängern, indem es Überhitzung und thermische Schäden verhindert.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass Axialflussmaschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Statoranordnung nach einem der Ansprüche 1-6.
Die Aufgabe der Erfindung kann ferner gelöst werden durch ein Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung für eine elektrische Axialflussmaschine umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellung eines Stators mit einem scheibenförmigen Statorjoch, aus dem sich axial eine Mehrzahl von Statorzähnen heraus erstrecken, und sich axial in das Statorjoch hineinerstreckende Öffnungen mit jeweils einem Hinterschnitt aufweisen,
- Bereitstellung einer Statoraufnahme, die sich in axialer Richtung aus der Statoraufnahme herauserstreckende Nietwarzen aufweist,
- Einsetzen der Nietwarzen in die Öffnungen des Statorjochs
- Ausbilden von Nietverbindungen durch Verformung von jeweils einer der Nietwarzen in der jeweils zugeordneten Öffnung, so dass der Stator radial wie axial in der Statoraufnahme fixiert ist.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zur Ausbildung der Nietverbindungen ein Stempelwerkzeug verwendet wird, dass an der von der Öffnung wegweisenden Seite der Statoraufnahme angelegt und in axialer Richtung kraftbeaufschlagt wird, so dass wenigstens eine der Nietwarzen in axialer Richtung in die jeweilige Öffnung des Statorjochs hineinversetzt und plastisch verformt wird.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass das Stempelwerkzeug einen sich axial aus diesem herauserstreckenden Dorn aufweist, was eine verbesserte Ausbildung der Nietverbindung bewirken kann. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 eine Axialflussmaschine in I-Ausführung in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
Figur 2 eine Statoranordnung einer Axialflussmaschine in einer Explosionsdarstellung,
Figur 3 eine Statoranordnung einer Axialflussmaschine in einer perspektivischen Ansicht,
Figur 4 vier verschiedene Ausführungen einer Statoranordnung in jeweils einer schematischen Schnittdarstellung,
Figur 5 eine erste Ausführungsform einer Statoranordnung in einer Ansicht vor der Montage der Statoraufnahme und Ausbildung der Nietverbindung und einer Ansicht nach der Montage der Statoraufnahme und Ausbildung der Nietverbindung,
Figur 6 eine zweite Ausführungsform einer Statoranordnung in einer Ansicht vor der Montage der Statoraufnahme und Ausbildung der Nietverbindung und einer Ansicht nach der Montage der Statoraufnahme und Ausbildung der Nietverbindung,
Figur 7 eine dritte Ausführungsform einer Statoranordnung in einer Ansicht vor der Montage der Statoraufnahme und Ausbildung der Nietverbindung und einer Ansicht nach der Montage der Statoraufnahme und Ausbildung der Nietverbindung, Figur 8 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang in einer schematischen Darstellung.
Figur 1 zeigt eine Axialflussmaschine 2 in I-Konfiguration mit zwei axial beabstandeten scheibenförmigen Statoren 3, zwischen denen der scheibenförmige Rotor 41 drehbar an der Rotorwelle 42 gelagert ist. Die Statoren 3 sind hierbei an einer Statoraufnahme 4 fixiert, die Teil eines Motorgehäuses der Axialflussmaschine 2 ist. Die Axialflussmaschine 2 kann insbesondere für einen Antriebsstrang 43 eines Kraftfahrzeugs 44, verwendet werden, wie es auch in der Figur 8 skizziert ist.
Die Figuren 2-3 zeigen eine Statoranordnung 1 für die elektrische Axialflussmaschine 2 umfassend einen Stator 3 und eine mit dem Stator 3 verbundene Statoraufnahme 4, wobei der Stator 3 ein scheibenförmiges Statorjoch 5 aufweist, aus dem sich axial eine Mehrzahl von Statorzähnen 6 erstrecken.
Die Statoraufnahme 4 weist sich in axialer Richtung aus der Statoraufnahme 4 herauserstreckende Nietwarzen 7 auf, die in jeweils einer einen Hinterschnitt 8 aufweisenden, sich axial in das Statorjoch 5 hineinerstreckenden Öffnung 9 eingreifen und an dem Hinterschnitt 8 anliegen, so dass der Stator 3 über die ausgebildeten Nietverbindungen 10 axial wie radial an der Statoraufnahme 4 festgelegt ist. Dies lässt sich auch gut aus der Zusammenschau mit den Figuren 4-7 erkennen.
Aus den Abbildungen c,d der Figur 4 sowie der Figur 7 ist ferner ersichtlich, dass wenigstens eine der Öffnungen 9, bevorzugt eine Mehrzahl der Öffnungen 9, besonders bevorzugt alle Öffnungen 9 jeweils einen Boden 11 aufweist/aufweisen, aus dem sich axial in Richtung zur Nietwarze 7 ein Dom 12 erstreckt, der in einen Nietkopf 13 der Nietwarze 7 eingreift.
Wie in der Figur 4 ebenfalls zu erkennen ist, ist das Statorjoch 5 aus einer Mehrzahl von axial gestapelten Statorblechen 14 gebildet, wobei die Öffnungen 9 und die jeweiligen Hinterschnitte 8 durch Ausstanzungen in den entsprechenden Statorblechen 14 gebildet sind.
In den Figuren 5-7 sind Ausführungsformen des Stators 3 gezeigt, bei denen das Statorjoch 5 aus einem Vollmaterial geformt sind. In der Figur 7 sind die Hinterschnitte 8 der Öffnungen 9 von einem an dem Statorjoch 5 befestigten Zusatzblech 15 gebildet. Aus den Figuren 5-7 wird ferner ersichtlich, dass die Öffnungen 9 im Betrieb der Axialflussmaschine 2 von einem Fluid durchströmbar sind, was insbesondere die Kühlung des Statorjochs 5 im Betrieb der Axialflussmaschine 2 verbessern kann.
Die Herstellung der Statoranordnung 1 für die elektrische Axialflussmaschine 2 kann wie folgt erfolgen:
Zunächst erfolgt die Bereitstellung eines Stators 3 mit einem scheibenförmigen Statorjoch 5, aus dem sich axial eine Mehrzahl von Statorzähnen 6 heraus erstrecken, und sich axial in das Statorjoch 5 hineinerstreckende Öffnungen 9 mit jeweils einem Hinterschnitt 8 aufweisen. Ferner erfolgt die Bereitstellung einer Statoraufnahme 4, die sich in axialer Richtung aus der Statoraufnahme 4 herauserstreckende Nietwarzen 7 aufweist.
Dann werden die Nietwarzen 7 in die Öffnungen 9 des Statorjochs 5 eingesetzt und nachfolgend erfolgt das Ausbilden von Nietverbindungen 10 durch Verformung von jeweils einer der Nietwarzen 7 in der jeweils zugeordneten Öffnung 9, so dass der Stator 3 radial wie axial in der Statoraufnahme 4 fixiert ist.
Dies kann auch gut anhand der Figuren 5-7 nachvollzogen werden. Die Nietwarze 7 wird also in axialer Richtung gegen den Boden 11 der Öffnung 9 gepresst und dabei so plastisch verformt, dass sie schließlich an dem Hinterschnitt 8 anliegt. In der Ausgestaltung der Figur 7 mit dem Zusatzblech 15 kann der an dem Zusatzblech 15 ausgeführte Hinterschnitt 8 beim Ausbilden der Nietverbindung 10 axial federnd ausgelenkt werden und nach der Herstellung der Nietverbindung 10 wieder in seine Ausgangslage zurückfedern, so dass der Nietkopf 13 nicht an dem Boden 11 der Öffnung 9 anliegt. Zur Ausbildung der Nietverbindungen 10 wird ein Stempelwerkzeug 16 verwendet, dass an der von der Öffnung 9 wegweisenden Seite 17 der Statoraufnahme 4 angelegt und in axialer Richtung kraftbeaufschlagt wird, so dass wenigstens eine der Nietwarzen 7 in axialer Richtung in die jeweilige Öffnung 9 des Statorjochs 5 hineinversetzt und plastisch verformt wird. Das Stempelwerkzeug 16 kann einen sich axial aus diesem herauserstreckenden Dorn 18 aufweisen, was zu die in Abbildung d der Figur 4 gezeigten Ausgestaltung der Nietverbindung führt. Durch die Flanken der Spitze des Doms 18 kann die Lochleibung bzw. die Verpressung gezielt verstärkt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 Statoranordnung
2 Axialflussmaschine
3 Stator
4 Statoraufnahme
5 Statorjoch
6 Statorzähne
7 Nietwarzen
8 Hinterschnitt
9 Öffnung
10 Nietverbindung
11 Boden
12 Dorn
13 Nietkopf
14 Statorbleche
15 Zusatzblech
16 Stempelwerkzeug
17 Seite
18 Dorn
41 Rotor
42 Rotorwelle
43 Antriebsstrang
44 Kraftfahrzeug

Claims

Ansprüche
1 . Statoranordnung (1 ) für eine elektrische Axialflussmaschine (2) umfassend einen Stator (3) und eine mit dem Stator (3) verbundene Statoraufnahme (4), wobei der Stator (3) ein scheibenförmiges Statorjoch (5) aufweist, aus dem sich axial eine Mehrzahl von Statorzähnen (6) herauserstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoraufnahme (4) sich in axialer Richtung aus der Statoraufnahme (4) herauserstreckende Nietwarzen (7) aufweist, die in jeweils einer einen Hinterschnitt (8) aufweisenden, sich axial in das Statorjoch (5) hineinerstreckenden Öffnung (9) eingreifen und an dem Hinterschnitt (8) anliegen, so dass der Stator (3) über die ausgebildeten Nietverbindungen (10) axial wie radial an der Statoraufnahme (4) festgelegt ist.
2. Statoranordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Öffnungen (9), bevorzugt eine Mehrzahl der Öffnungen (9), besonders bevorzugt alle Öffnungen (9) jeweils einen Boden (11 ) aufweist/aufweisen, aus dem sich axial in Richtung zur Nietwarze (7) ein Dom (12) erstreckt, der in einen Nietkopf (13) der Nietwarze (7) eingreift.
3. Statoranordnung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorjoch (5) aus einer Mehrzahl von axial gestapelten Statorblechen (14) gebildet ist.
4. Statoranordnung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (9) und die jeweiligen Hinterschnitte (8) durch Ausstanzungen in den entsprechenden Statorblechen (14) gebildet sind.
5. Statoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorjoch (5) aus einem Vollmaterial geformt und die Hinterschnitte (8) der Öffnungen (9) von einem an dem Statorjoch (5) befestigten Zusatzblech (15) gebildet sind.
6. Statoranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (9) im Betrieb der Axialflussmaschine (2) von einem Fluid durchströmbar sind.
7. Axialflussmaschine (2), insbesondere für einen Antriebsstrang () eines Kraftfahrzeugs (), umfassend eine Statoranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 -6.
8. Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung (1 ) für eine elektrische Axialflussmaschine (2) umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellung eines Stators (3) mit einem scheibenförmigen Statorjoch (5), aus dem sich axial eine Mehrzahl von Statorzähnen (6) heraus erstrecken, und sich axial in das Statorjoch (5) hineinerstreckende Öffnungen (9) mit jeweils einem Hinterschnitt (8) aufweisen,
- Bereitstellung einer Statoraufnahme (4), die sich in axialer Richtung aus der Statoraufnahme (4) herauserstreckende Nietwarzen (7) aufweist,
Einsetzen der Nietwarzen (7) in die Öffnungen (9) des Statorjochs (5) - Ausbilden von Nietverbindungen (10) durch Verformung von jeweils einer der Nietwarzen (7) in der jeweils zugeordneten Öffnung (9), so dass der Stator (3) radial wie axial in der Statoraufnahme (4) fixiert ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Nietverbindungen (10) ein Stempelwerkzeug (16) verwendet wird, dass an der von der Öffnung (9) wegweisenden Seite (17) der Statoraufnahme (4) angelegt und in axialer Richtung kraftbeaufschlagt wird, so dass wenigstens eine der Nietwarzen (7) in axialer Richtung in die jeweilige Öffnung (9) des Statorjochs (5) hineinversetzt und plastisch verformt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelwerkzeug (16) einen sich axial aus diesem herauserstreckenden Dorn (18) aufweist.
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