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Die
Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Bekannte
Statoren für
elektrische Maschinen weisen ein Statorjoch mit einer Anzahl von
Statorzähnen
auf, welche die elektrische Wicklung bspw. in Form von einzelnen,
aus einem Isolierdraht gewickelten Statorspulen tragen. Die Spulen
sind mit ihren beiden Spulenenden einzelnen Strängen zugeordnet und untereinander
in einer vorbestimmten Weise über
gemeinsame Verbindungsleiter verschaltet. Im Fall einer Drehstrommaschine
weist der Stator drei Stränge
und damit zumindest drei Verbindungsleiter auf, die jeweils um 120° phasenversetzt
mit Strom beaufschlagt werden. Zum Anschluss der elektrischen Maschine
an eine Stromversorgungseinrichtung werden die Verbindungsleiter
einem Schaltkasten zugeführt.
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Die
DE 199 20 127 C2 offenbart
einen Stator für
eine elektrische Maschine, bei der die Verschaltungsanordnung elektrisch
isolierte Verbindungsleiter aufweist, die konzentrisch zueinander
zugeordnet sind. Die Anschlüsse
für die
Enden der Statorspulen sind an den Verbindungsleitern als von diesen
abstehende Anschlussfortsätze
ausgebildet, wobei für
jedes Spulenende ein separater An schlussfortsatz vorgesehen ist
und durch die dort realisierte radiale Staffelung der Verbindungsleiter
sich gleichfalls unterschiedliche Radiallagen für die Verbindungsstellen ergeben.
Die elektrische Verbindung kann hierbei durch eine Fügetechnik,
bspw. Schweißen,
Löten und/oder
einfaches Umwickeln der Anschlussfortsätze realisiert werden. Die
Verbindungsleiter stützen sich
gegenseitig und am Stator durch zwischen diese eingelegte Isoliermittelstreifen
ab.
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Aus
den Figuren der erläuterten
DE 199 20 127 C2 ist
ersichtlich, dass die Verbindungsleiter konstruktiv sehr aufwändig gestaltet
sind und eine dementsprechend hohe Anzahl von Fertigungsschritten zu
deren Herstellung und zu deren Verschaltung erforderlich sind.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stator der vorgenannten
Art konstruktiv so zu verbessern, dass insbesondere dessen Verschaltungsanordnung
einfacher gestaltet ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch einen gattungsgemäßen Stator, der zusätzlich die
im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale aufweist. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die
Erfindung schlägt
einen Stator für
eine elektrische Maschine mit einem ringförmigen Statorjoch vor, an dem
eine Anzahl von Statorspulen angeordnet ist und wobei die Statorspulen
mit deren Spulenenden mit Verbindungsleitern elektrisch verschaltet
sind und wobei die Verbindungsleiter konzentrisch zueinander angeordnet
und elektrisch gegeneinander isoliert sind. Ein solcher Stator zeichnet
sich insbesondere dadurch aus, dass die Verschaltung der Spulenenden
mit den Verbindungsleitern mittels separater Anschlusselemente erfolgt,
welche einen ersten Kontaktbereich zur Verbindung mit den Verbindungsleitern
und einen zweiten Kontaktbereich zur Verbindung mit zumindest einem
Spulenende aufweisen.
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Damit
ergibt sich der Vorteil, dass die Verbindungsleiter zumindest im
Bereich der Spulen-Verschaltungsstellen keine besondere konstruktive
Ausbildung erfordern und statt dessen über deren Erstreckung mit einem
im Wesentlichen konstanten Querschnitt, insbesondere mit einer im
Wesentlichen konstanten Querschnittsform ausgebildet werden können. Das
heißt,
dass bereits ein einfacher Rechteck-, Band- oder Rundleiter, wie
dieser als Standardausführung
erworben werden kann, als Verbindungsleiter eingesetzt werden kann.
Dazu ist es lediglich erforderlich, die Leiterelemente abzulängen, in
eine gebogene Form zu überführen und
ggf. die Anschlussbereiche zum Anschluss des Stators an eine Stromversorgungseinrichtung
auszubilden und diese schließlich
am Stator anzuordnen.
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Es
ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft, zum Anschluss des Stators
an eine Stromversorgungseinrichtung separate, mit den Verbindungsleitern
zu verbindende Stromschienen vorzusehen. Damit kann der Fertigungsaufwand
für die
Verbindungsleiter noch weiter reduziert werden. Außerdem ergibt sich
der weitere Vorteil, dass die Verbindung des Stators mit der Stromversorgungseinrichtung
von der Geometrie der Verbindungsleiter frei wählbar ist und nicht weiter
durch die Ausgestaltung der Verbindungsleiter vorgegeben ist.
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Es
ist gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung fertigungstechnisch äußerst zweckmäßig, die
Kontaktbereiche der Spulenenden mit der Verschaltungsanordnung auf
einer gemeinsamen Axial- und Radiallage anzuordnen. Dadurch kann bspw.
eine automatisierte Kontaktierung durch ein ortsfestes Werkzeug
und einen um die Mittelachse drehbar gelagerten Stator ohne zusätzliche
radiale Zuführbewegungen
erfolgen. Eine erhebliche Produktivitätssteigerung kann erzielt werden,
wenn jeweils zwei am Umfang benachbarte Enden von jeweils zwei Spu len
mittels eines gemeinsamen Anschlusselements ein und demselben Verbindungsleiter
zugeordnet werden. Das heißt,
dass pro Fügevorgang
gleichzeitig zwei Spulenenden verschaltet werden, wodurch sich bei
der Herstellung eines Stators eine erheblich Zeit- und Kosteneinsparung
ergibt.
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Noch
weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren
abhängigen
Ansprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden mittels der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Ausschnitt eines mit Einzelspulen bestückten Stators mit einer Trägerstruktur
einer Verschaltungsanordnung in einer perspektivischen Darstellung,
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2 ein
Ausschnitt des Stators von 1 mit Blick
auf die Verschaltungsseite des Stators,
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3 eine
teilweise Axialschnittdarstellung einer elektrischen Maschine mit
einem Stator gemäß der 1, 2 mit
Verschaltungsanordnung,
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4 eine
auf zwei Wickelkörpern
gewickelte Einzelspule zur Anordnung an einem Stator gemäß der 1–3,
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5a–c perspektivische
Darstellungen von Anschlusselementen zur Verbindung der Spulenenden
mit den Verbindungsleitern,
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6a–c Schnittdarstellungen
im Bereich der Anschlusselemente gemäß den in 2 angegebenen
Positionen.
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Die
Figuren zeigen einen Ausschnitt eines Stators 10 für eine zeichnerisch
nicht weiter dargestellte elektrische Maschine mit einem ringförmigen aus
lamelliertem Elektroblech bestehendem Statorjoch 4 und
einem nur in 3 schematisch angedeuteten Rotor 5 mit
einem Rotorträger 5a und
Permanentmagneten 5b, wobei es sich speziell um eine permanenterregte
elektrische Synchronmaschine in Außenläuferbauart handelt. Die spezielle
Bauart der elektrischen Maschine ist jedoch für die weiteren Erläuterungen
unerheblich, es kann sich beispielsweise auch um einen Induktionsmotor,
eine Reluktanzmaschine in Innen-, Außen- oder Scheibenläuferbauart oder
irgendeine andere elektrische Maschine handeln. Das Statorjoch 4 weist
eine, in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte
Anzahl von radial nach außen gerichteten
Zähnen 6 auf,
von denen jeder mit einer Einzelspule 8 bestückt ist.
Zur Erläuterung
der Verschaltungsanordnung sind in den Figuren lediglich drei bzw.
vier am Stator nebeneinanderliegende Spulen gezeigt. Die Spulen 8 bestehen
aus einer Wicklung 9 eines einzelnen oder eines mehradrigen
Leiters, wobei dessen Einzelleiter vorteilhaft untereinander verdrillt
sein können.
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In
den Figuren wurden die Einzelspulen 8 in einem vorherigen
Fertigungsschritt mit Hilfe von jeweils zwei aus einem Isoliermaterial
bestehenden Wickelkörpern 12a,
b separat gewickelt und anschließend über die Zähne 6 des Statorjochs 4 geschoben und
dort mittels einer Rastverbindung 14 gegen Verrutschen
gesichert. Die Wickelkörper 12a,
b umfassen jeweils einen am Statorjoch 4 anliegenden Basisbereich 13a und
zwei davon etwa rechtwinklig abstehende Schenkel 13b, c,
die den Wickelbereich in radialer Richtung begrenzen. Jede Spule 8 weist
zwei Spulenenden 18, 20 auf, welche an einer gemeinsamen
Stirnseite 22 des Stators 10 aus den Spulen 8 radial
außen
herausgeführt
sind und zur gemeinsamen Verschaltung und Ausbildung einer Verschaltungsanordnung 16 bereitstehen.
Die Spulen 8 sind dabei einzelnen Strängen zugeordnet und werden, wie
weiter unten noch ausgeführt, über gemeinsame Verbindungsleiter 24, 26, 28 in
einer vorbestimmten Weise miteinander verschaltet. Im erläuterten
Ausführungsbeispiel
sind die Spulen nach einer Dreieckschaltung verschaltet, wobei jedoch
die jeweilige Verschaltungsart für
die nachfolgenden Erläuterungen unerheblich
ist, d.h. alternativ könnte
auch unter Verwendung eines weiteren Verbindungsleiters eine Sternschaltung
oder eine noch andere Verschaltung verwirklicht werden. Die Verbindungsleiter 24, 26, 28 sind
als ringförmig
gebogene, offene oder geschlossene Rundleiter aus Kupfer ausgeführt und
weisen über
deren Erstreckung einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt auf.
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Die
Verbindungsleiter 24, 26, 28 sind weiter, wie
dieses insbesondere in 2, 3 erkennbar ist,
innerhalb eines Aufnahmeraumes 34 einer am Stator 10 angeordneten
und als separater Kunststoffring ausgebildeten Tragestruktur 36 angeordnet.
Der Kunststoffring 36 ist in axialer Richtung über das
Statorjoch 4, genauer über
die Zähne 6 aufgeschoben und
an einer von den radial äußeren Schenkeln 13b der
Wickelkörper 12a,
b gemeinsam gebildeten Montagefläche
mittels an den Wickelkörpern 12a ausgebildeten
Rastelementen 15 verliersicher am Stator 10 verrastet.
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Damit
befindet sich die Tragestruktur 36 mit den Verbindungsleitern 24, 26, 28 sowohl
radial als auch axial außerhalb
des Statorjochs 4, jedoch bezüglich des Rotors 5 radial
auf dessen Höhe
und axial unmittelbar zu diesem benachbart.
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Alternativ
zu der gezeigten Anordnungsvariante der Tragestruktur 36 können die
Verbindungsleiter 24, 26, 28 auch radial
innerhalb des Statorjochs 4 und/oder axial unmittelbar
zu diesem benachbart angeordnet werden.
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Der
Aufnahmeraum 34 der Tragestruktur 36 ist als einseitig
offene Nut mit einem Nutgrund 36a und zwei senkrecht davon
abstehenden Nutwandungen 36b, c ausgeführt und durch Trennstege 36d,
e zur separaten Anordnung der Verbindungsleiter 24, 26, 28 in
mehrere radiale Bereiche unterteilt. In diesem Fall sind für die drei
Verbindungsleiter 24, 26, 28 zwei Trennstege 36d,
e vorgesehen, welche hierbei als Trennwände ausgeführt sind. Alternativ dazu ist es
auch möglich,
die Trennstege 36d, e als voneinander separierte Stifte
oder als in Umfangs richtung relativ kurze, beabstandete Wandbereiche
auszuführen.
Die Trennstege 36d, e lassen sich bei einer Spritzgussfertigung
leicht in die Tragestruktur 36 integrieren. Es ist in 6 einerseits ersichtlich, dass die Trennstege 36d,
e die Verbindungsleiter 24, 26, 28 etwas überragen
und dass andererseits die Nutwandungen 36b, c höher ausgebildet
sind als die Trennstege 36d, e.
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Mit
Blick auf 2 ist erkennbar, dass jeweils
zwei benachbarten Enden 18, 20 von jeweils zwei
Spulen 8 gemeinsam mit einem Verbindungsleiter 24, 26, 28 elektrisch
verschaltet sind. Zum Zuführen
der Spulenenden 18, 20 zu den Verbindungsleitern 24, 26, 28 weisen
die Wickelkörper 12a in
die Tragestruktur 36 hineinragende Drahtführungsabschnitte 38 auf,
so dass die Kontaktierung der Verbindungsleiter 24, 26, 28 mit
den Spulenenden 18, 20 innerhalb des Aufnahmeraumes 34 erfolgen
kann. Zu diesem Zweck sind gemäß der 5a,
b separate Anschlusselemente 40, 42 vorgesehen,
welche einen ersten Kontaktbereich zur Verbindung mit den Verbindungsleitern 24, 26, 28 und
einen zweiten Kontaktbereich zur Verbindung mit den Spulenenden 18, 20 aufweisen.
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In
dem erläuterten
Ausführungsbeispiel
sind die Anschlusselemente 40, 42, 44 aus
einem Blech, vorzugsweise Kupferblech ausgestanzt und vorgebogen.
Zur Verschaltung des Stators 10 in der in 2 dargestellten
Weise kommen zwei verschiedene Typen von Anschlusselementen 40 (A), 42 (B)
gemäß der 5a,
b zum Einsatz, die sich in der Ausbildung der ersten Kontaktbereiche
unterscheiden und bei denen jedoch die zweiten Kontaktbereiche im
Wesentlichen gleich ausgeführt
sind. Beide Typen A, B weisen einen Grundkörper 40a, 42a mit
zwei seitlich von diesem abragenden Fahnen 40b, 42b auf,
die erste Kontaktbereiche bilden und welche bei dem Typ A beide
quer zur Erstreckung des Grundkörpers 40a in
dieselbe Richtung abragen, während
die Fahnen 42b bei dem Typ B in entgegengesetzte Richtungen vom
Grundkörper 42a abragen.
Beide Typen A, B weisen als zweite Kontaktbereiche von den Grundkörpern 40a, 42a abstehende
Klemm abschnitte 40c, 42c auf, die bei Typ A zunächst in
dieselbe Richtung wie die Fahnen 40b ausgerichtet sind
und bei Typ B in eine zu den Fahnen 42b senkrechte Richtung
weisen.
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Das
Anschlusselement vom Typ B ist mit dessen Fahnen 42b zur
Kontaktierung mit dem mittleren Verbindungsleiter 26 vorgesehen,
wobei die Fahnen 42b durch Punktschweißen oder Löten mit diesem verbunden werden.
Der Grundkörper 42a ist gegenüber den
Fahnen 42b herausgebogen, wobei die Klemmabschnitte 42c beide
von der Ebene des Grundkörpers 42a ausgehend
V-förmig
nach oben gebogen sind, um ein Spulenende 18, 20 aufnehmen zu
können.
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Die
Anschlusselemente 40 vom Typ A sind gegeneinander ausgerichtet
an dem radial äußeren und
dem inneren Verbindundungsleiter 24, 28 angeordnet,
wobei die vom Grundkörper 40a abstehenden
Fahnen 40b wiederum durch Punktschweißen oder Löten mit diesen verbunden werden.
Mit den sich an die Fahnen 40b anschließenden seitlichen Bereichen 40d des
Grundkörpers
liegen die Anschlusselemente 40 auf den beiden Trennstegen 36d,
e auf, wobei durch deren Überhöhung gegenüber dem
mittleren Verbindungsleiter 26 ein unbeabsichtigtes Kontaktieren
und somit ein Kurzschluss ausgeschlossen ist. Der zwischen dem Verbindungsleiter 26 und
Anschlusselementen 40 gebildete axiale Zwischenraum wird
in einem nachfolgenden Schritt mit einem Isoliermaterial ausgefüllt, bspw.
vergossen. Die Klemmabschnitte 40c der Anschlusselemente 40 vom
Typ A kommen somit am Stator 10 auf dem gleichen Teilkreisdurchmesser
und in derselben Ebene wie die Klemmabschnitte 42c der
Anschlusselemente 42 vom Typ B zur Lage.
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Die
radial aus den Spulen 8 austretenden Spulenenden 18, 20 werden
zur Kontaktierung zunächst
tangential abgewinkelt, in Erstreckungsrichtung der Verbindungsleiter 24, 26, 28 an
die zweiten Kontaktbereiche 40a; 42a herangeführt und
in den zwischen den Klemmabschnitten 40c; 42c gebildeten
Aufnahmeraum eingelegt. Die Klemmabschnitte 40c; 42c werden
dann gegeneinander verquetscht, wobei die Spulenenden 18, 20 eingeschlossen
und sicher an den Verbindungsleitern 24, 26, 28 festgelegt
sind.
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Anstelle
der dargestellten tangentialen Ausrichtung der Spulenenden 18, 20 bzw.
der zweiten Verbindungsbereiche können diese selbstverständlich auch
alternativ radial am Stator 10 ausgebildet werden, wozu
ein in 5c dargestelltes Anschlusselement 44 zur
Verschaltung mit den radial inneren und den radial äußeren Verbindungsleitern 24, 28 Verwendung
findet, welches zwei sich am Stator 10 in Richtung der
Verbindungsleiter 24, 28 ausgerichtete und mit
diesen verbundene Fahnen 44b, einen im rechten Winkel davon
abstehenden Grundkörper 44a und
zwei davon nach oben gerichtete Klemmabschnitte 44c zur
Aufnahme von Spulenenden 18, 20 aufweist. Bei
der Montage an der Tragestruktur 36 kann sich der Grundkörper ebenfalls
an den Trennstegen 36d, e abstützen. Zur Verschaltung des
mittleren Verbindungsleiters 26 dient ein weiteres, zeichnerisch
nicht dargestelltes Anschlusselement, welches bspw. lediglich einen
Grundkörper 44a mit Klemmabschnitte 44c aufweist,
aus denen im Mittelbereich durch zwei Einschnitte jeweils ein Segment
in Erstreckungsrichtung des Verbindungsleiters 26 abgebogen
und mit diesem verbunden ist.
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Wie
bereits vorstehend erwähnt,
sind die Nutwandungen 36b, c gegenüber den Trennstegen 36d,
e überhöht ausgebildet
und zwar soweit, dass die ersten und zweiten Kontaktbereiche innerhalb des
Aufnahmeraumes 34 ausgebildet sind. Anstelle einer Crimp-
bzw. Quetschverbindung können
die Spulenenden 18, 20 selbstverständlich auch
gelötet, geschweißt oder
mit ähnlichen
Verbindungsmethoden an den Anschlusselementen 40, 42, 44 festgelegt
werden.
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Insbesondere
aus 2 ist erkennbar, dass die Anschlusselemente 40, 42 in
Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Enden 18, 20 von
jeweils zwei Spulen 8 angeordnet sind und dass zwei am
Umfang benachbarte Enden 18, 20 von jeweils zwei
Spulen 8 mittels eines gemeinsamen Anschlusselements 40, 42 ein
und demselben Verbindungsleiter 24, 26, 28 zugeordnet
sind. Insgesamt sind auf diese Weise alle zweiten Kontaktbereiche
der mit verschiedenen Verbindungsleitern 24, 26, 28 verbundenen
Anschlusselemente 40, 42 auf einer gemeinsamen
Axial- und Radiallage angeordnet, wobei fortlaufend der innere,
der mittlere und der äußere Verbindungsleiter
mit einem Anschlusselement 40, 42 kontaktiert
ist. Aus der beschriebenen Anordnung ergibt sich der Vorteil, dass
auch die jeweils einem Anschlusselement 40, 42 zugeordneten
zwei Spulenenden 18, 20 in einem Prozessschritt
gleichzeitig mit diesem elektrisch verbunden werden können.
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In 2 sind
die Anschlusselemente 40, 42 mittig zwischen den
beiden Spulenenden 18, 20 angeordnet. Es kann
auch günstig
sein, die Anschlusselemente 40, 42 möglichst
nahe an einem der Spulenenden 18, 20 festzulegen
und das jeweils andere dadurch etwas verlängerte Spulenende 18, 20 am Wickelkörper 12a oder
an der Tragestruktur 36 in Umfangsrichtung bspw. in einem
Leiterkanal zu fixieren und dieses Ende 18, 20 auf
diese Weise mechanisch stabilisiert an das Anschlusselement 40, 42 heranzuführen.
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Zum
Schutz der Verbindungsleiter 24, 26, 28, der
Anschlusselemente 40, 42 und deren Kontaktbereiche
vor Korrosionserscheinungen und zur Erhöhung der Stabilität der Verschaltungsanordnung 16 wird
der Aufnahmeraum 34 nach erfolgter Verschaltung komplett
mit einem Dichtmittel, bspw. mit einem Harz oder Silikon vergossen,
wobei die Verbindungsleiter 24, 26, 28 und
die ersten und zweiten Kontaktbereiche vollständig gegenüber der Umgebung gekapselt
eingeschlossen sind.
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Alternativ
zu der als separaten Ring gefertigten Tragestruktur 36 kann
diese auch segmentweise zusammengesetzt werden, indem bspw. an den
Wickelkörpern 12a nach
radial innen oder außen
entsprechende Strukturen ausgebildet werden, die nach der Montage
aller Spulen 8 am Stator 10 einen geschlossenen
Ring zur Aufnahme der Verbindungsleiter 24, 26, 28 ausbilden.
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Zum
Anschluss des Stators 10 an eine Stromversorgungseinrichtung
werden die Verbindungsleiter 24, 26, 28 mit
drei, zeichnerisch nicht dargestellten Stromschienen verbunden,
welche in einen Anschlusskasten eingeführt sind und dort mit elektrischen
Kabeln mit einer Stromquelle verbunden werden können. Auch die Stromschienen
können
mit einem Isoliermittel eingegossen bzw. vergossen werden.
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Selbstverständlich ist
die radiale Anordnung der Verbindungsleiter 24, 26, 28 am
Stator 10 nicht zwingend, d.h. wo es als zweckmäßig erscheint,
können
diese auch axial gestaffelt angeordnet werden, wobei die Art und
Weise der Verschaltung prinzipiell beibehalten werden kann.
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- 2
- Statornabe
- 4
- Statorjoch
- 5
- Rotor
- 5a
- Rotorträger
- 5b
- Permanentmagnete
- 6
- Zahn
- 8
- Spule
- 9
- Wicklung
- 10
- Stator
- 12a,
b
- Wickelkörper
- 13a
- Basisbereich
- 13b,
c
- Schenkel
- 14
- Rastverbindung
- 15
- Rastelement
- 16
- Verschaltungsanordnung
- 18,
20
- Spulenenden
- 22
- Verschaltungsseite
des Stators, Stirnseite
- 24,
24, 28
- Verbindungsleiter
- 34
- Aufnahmeraum
- 36
- Tragestruktur,
Kunststoffring
- 36a
- Nutgrund
- 36b,
c
- Nutwandung
- 36d,
e
- Trennsteg
- 38
- Drahtführungsabschnitt
- 40,
42, 44
- Anschlusselement
- 40a,
42a, 44a
- Grundkörper
- 40b,
42b, 44b
- Fahnen
- 40c,
42c, 44c
- Klemmabschnitt
- A
- Mittelachse