DE102012223668B4

DE102012223668B4 - Stator für eine elektrische Maschine und Verfahren zur Herstellung des Stators

Info

Publication number: DE102012223668B4
Application number: DE102012223668.6A
Authority: DE
Inventors: Juergen BERNDL; Paloma Monedero; Stephan Loistl; Dragoljub Duricic; Marc Waeber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: US20150288240A1; US9923427B2; WO2014095183A1; DE102012223668A1; CN104718685A; CN104718685B

Abstract

Stator (1) für eine elektrische Maschine, umfassend:
- einen zylindrischen Statorkörper (2) mit mehreren Statornuten (3),
- zumindest eine in die Statornuten (3) eingesetzte erste Spule für eine erste Phase (U), wobei die erste Spule an zumindest einer Stirnseite des Statorkörpers (2) einen ersten Spulenkopf aufweist,
- zumindest eine in die Statornuten eingesetzte zweite Spule für eine zweite Phase (V), wobei die zweite Spule an der zumindest einen Stirnseite des Statorkörpers (2) einen zweiten Spulenkopf aufweist,
- zumindest eine in die Statornuten (3) eingesetzte dritte Spule für eine dritte Phase (W), wobei die dritte Spule an der zumindest einen Stirnseite des Statorkörpers (2) einen dritten Spulenkopf aufweist,
- zumindest einen Formkörper (4) zur Aufnahme und elektrischen Isolation der Spulenköpfe, wobei sich der Formkörper (4) in einer ersten Ringfläche (13) und eine zur ersten Ringfläche (13) konzentrischen zweiten Ringfläche (14) erstreckt,
- wobei an der zumindest einen Stirnseite des zylindrischen Statorkörpers (2) der zumindest eine erste Spulenkopf in der ersten Ringfläche (13) angeordnet ist, der zumindest eine dritte Spulenkopf in der zweiten Ringfläche (14) angeordnet ist, und der zumindest eine zweite Spulenkopf in der ersten und in der zweiten Ringfläche (13, 14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (4) aus einem ersten Ringkörper (16), einem zweiten Ringkörper (17) und einem dritten Ringkörper (18) zusammengesetzt ist.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung des Stators. Der Stator wird insbesondere für eine elektrische Maschine in einem Kraftfahrzeug verwendet. Die elektrische Maschine dient vorzugsweise zum Antrieb des Kraftfahrzeugs.
Zentrale Komponenten einer elektrischen Maschine sind der Stator und der Rotor. In den Stator werden Spulen eingebracht, um ein sich drehendes elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das den Rotor antreibt. Für eine einwandfreie Funktionsweise müssen die Spulen im Stator voneinander elektrisch isoliert werden. Im Stand der Technik werden hierzu Isolationspapiere, beispielsweise NOMEX-Papierfahnen, verwendet. Die Isolationspapiere müssen von Hand zwischen die Spulen eingelegt werden. Insbesondere an den Spulenköpfen ist dieser Prozess neben der körperlichen Anstrengung sehr zeitintensiv. Zusätzlich ergeben sich durch das mögliche Verrutschen der Isolationspapiere bei darauf folgenden Arbeitsschritten erhebliche Qualitätsprobleme, die eine ständige Kontrolle erfordern und einen vollautomatischen Fertigungsprozess nicht ermöglichen.
Aus der gattungsgemäßen US 2011 / 0 012 475 A1 ist eine isolierende Zwischenphasenstruktur für einen Motor bekannt. Der Motor umfasst einen Statorkern, eine Vielzahl von Zähnen, die entlang eines Innenumfangs des Statorkerns angeordnet sind, und erste bis dritte Phasenwicklungen, die auf den Statorkern wellenförmig gewickelt sind. Die isolierende Zwischenphasenstruktur umfasst erste Zwischenphasenisolatoren und zweite Zwischenphasenisolatoren. Die ersten und zweiten Zwischenphasenisolatoren sind zwischen benachbarten leitenden Abschnitten der Spulenenden der zweiten Wicklung zumindest an einem zweiten Ende des Statorkerns verbunden.
Die US 2007 / 0 170 792 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator zumindest ein aus jeweils mehreren Spulen aufgebautes Wicklungssystem aufweist, wobei Anfang und Ende der jeweiligen Spulen an einer Stirnseite des Stators durch einen Schaltungsträger fixiert und derart kontaktiert sind, dass sich vorgebbare Verschaltungen der Spulen ergeben.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Stator für eine elektrische Maschine anzugeben, der bei kostengünstiger Herstellung und Montage eine betriebssichere Isolation der Spulenköpfe aufweist. Des Weiteren ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine anzugeben, das bei einfacher und prozesssicherer Durchführung eine betriebssichere Isolation der Spulenköpfe ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine. Der Stator umfasst einen zylindrischen Statorkörper mit mehreren Statornuten. Der Statorkörper wird aus Metall gefertigt. In den Statornuten befinden sich zumindest drei unterschiedliche Spulen zum Erzeugen des elektromagnetischen Feldes. Es ist zumindest eine erste Spule für eine erste Phase (U), zumindest eine zweite Spule für eine zweite Phase (V) und zumindest eine dritte Spule für eine dritte Phase (W) vorgesehen. Jede Spule weist an den Stirnseiten des Statorkörpers zumindest einen Spulenkopf auf. Um die einzelnen Spulenköpfe an der jeweiligen Stirnseite voneinander zu isolieren, ist ein Formkörper vorgesehen. Insbesondere ist an beiden Stirnseiten des Statorkörpers jeweils ein Formkörper vorgesehen. Der Formkörper dient zur Aufnahme und zur elektrischen Isolation der Spulenköpfe. Hierzu ist der Formkörper beispielsweise aus Kunststoff gefertigt. Der Formkörper erstreckt sich in zwei zueinander konzentrischen Ringflächen. In der ersten Ringfläche ist der Spulenkopf der ersten Spule angeordnet. In der zweiten Ringfläche ist der Spulenkopf der dritten Spule angeordnet. Der Spulenkopf der zweiten Spule ist in beiden Ringflächen angeordnet. Insbesondere sind mehrere erste, zweite und dritte Spulen vorgesehen. Dementsprechend gibt es mehrere erste, zweite und dritte Spulenköpfe. Insbesondere sind alle ersten Spulenköpfe in der ersten Ringfläche angeordnet. Alle dritten Spulenköpfe sind in der zweiten Ringfläche angeordnet. Entsprechend sind alle zweiten Spulenköpfe jeweils in der ersten und zweiten Ringfläche angeordnet. Die Anordnung der einzelnen Spulenköpfe in zwei zueinander konzentrischen Ringflächen des Formkörpers ermöglicht eine sehr platzsparende und gleichzeitig sichere Isolation und Anordnung der Spulenköpfe.
Am zylindrischen Statorkörper ist bevorzugt eine Mittelachse definiert. Die Mittelachse erstreckt sich entlang einer Rotorachse eines Rotors, der in den Stator eingesetzt wird. Senkrecht zur Mittelachse ist eine Radialrichtung definiert. Um die Mittelachse herum ist eine Umfangsrichtung definiert. Die beiden Ringflächen des Formkörpers sind bevorzugt konzentrisch zur Mittelachse angeordnet. Die beiden Ringflächen erstrecken sich in Umfangsrichtung und in Radialrichtung. Insbesondere ist die erste Ringfläche außerhalb der zweiten Ringfläche angeordnet. Besonders bevorzugt entspricht ein Außendurchmesser der zweiten Ringfläche einem Innendurchmesser der ersten Ringfläche.
Bevorzugt weist der Formkörper kanalförmige Aufnahmen für die jeweiligen Spulenköpfe auf. Die kanalförmigen Aufnahmen decken den jeweiligen Spulenkopf an zumindest drei Seiten ab. Dementsprechend weist jede Aufnahme einen Boden auf. Der Boden erstreckt sich in Radial- und in Umfangsrichtung. Senkrecht auf dem Boden stehen zwei voneinander beabstandete Seitenwände.
In den kanalförmigen Aufnahmen sind bevorzugt Schlitze ausgebildet. Diese Schlitze fluchten mit den Statornuten. Dadurch ist es möglich, die Spulen von den Statornuten durch Schlitze hindurch in die Aufnahmen zu legen.
In eine einzelne Aufnahme können auch mehrere Spulenköpfe von unterschiedlichen Spulen der gleichen Phase eingelegt werden.
Entlang der ersten Ringfläche reihen sich die ersten Aufnahmen für die ersten Spulenköpfe aneinander. Entlang der zweiten Ringfläche reihen sich die dritten Aufnahmen für die dritten Spulenköpfe aneinander. Die zweiten Aufnahmen für die zweiten Spulenköpfe weisen jeweils einen ersten kanalförmigen Abschnitt und einen zweiten kanalförmigen Abschnitt auf. Der erste kanalförmige Abschnitt liegt in der ersten Ringfläche. Der zweite kanalförmige Abschnitt liegt in der zweiten Ringfläche. Die zweiten Aufnahmen für die zweiten Spulenköpfe weisen somit einen Knick auf. Dieser Knick verbindet die beiden kanalförmigen Abschnitte der zweiten Aufnahmen.
Der Formkörper ist dreiteilig aufgebaut. Der Formkörper setzt sich zusammen aus einem ersten Ringkörper, einem zweiten Ringkörper und einem dritten Ringkörper. Die einzelnen Ringkörper sind jeweils bevorzugt einstückig gefertigt. Beispielsweise werden die einzelnen Ringkörper als Spritzgussteile gefertigt. Der erste Ringkörper erstreckt sich bevorzugt in der ersten Ringfläche. Der dritte Ringkörper erstreckt sich bevorzugt in der zweiten Ringfläche. Der zweite Ringkörper weist die zweiten Aufnahmen für die zweiten Spulenköpfe auf und erstreckt sich somit in beiden Ringflächen.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Isolation der Statornuten in den Formkörper integriert ist. So können beispielsweise Fortsätze des Formkörpers in die Statornuten eingreifen und somit die Statornuten gegenüber den eingezogenen Spulen isolieren.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung des soeben beschriebenen Stators. In dem Verfahren werden die Spulen zunächst außerhalb des Statorkörpers gewickelt und anschließend in die Statornuten und in den Formkörper eingezogen. Alternativ dazu ist es auch vorgesehen, den Formkörper zunächst auf den Statorkörper aufzusetzen und anschließend die Spulen direkt in die Statornuten und in den Formkörper zu wickeln. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Stators beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Dabei zeigen:

1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Stators gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 einen Formkörper des erfindungsgemäßen Stators gemäß dem Ausführungsbeispiels, und
3 den Formkörper aus 2 in einem zerlegten Zustand.

Im Folgenden wird anhand der 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel eines Stators 1 beschrieben.
1 zeigt lediglich einen Detailausschnitt des Stators 1. Der Stator 1 umfasst einen Statorkörper 2 mit mehreren Statornuten 3. Gezeigt ist ein Ausschnitt einer Stirnfläche des Statorkörpers 2. Auf dieser Stirnfläche sitzt ein Formkörper 4. Der gesamte Formkörper 4 ist in 2 dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 1 der Statorkörper 2 und der Formkörper 4 als gerades Bauteil dargestellt. Tatsächlich ist der Statorkörper 2 zylindrisch. Der Formkörper 4 ist entsprechend 2 ringförmig.
Entsprechend der zylindrischen Form des Statorkörpers 2 ist eine Mittelachse 11 definiert. Die Mittelachse 11 erstreckt sich entlang einer Rotorachse eines Rotors, der in den Stator 1 eingesetzt wird. Senkrecht zur Mittelachse 1 erstreckt sich eine Radialrichtung 12. Um die Mittelachse 11 herum ist eine Umfangsrichtung 19 definiert.
Der Formkörper 4 erstreckt sich über eine erste Ringfläche 13 und eine zur ersten Ringfläche 13 konzentrische zweite Ringfläche 14. Die beiden Ringflächen 13, 14 sind konzentrisch zur Mittelachse. Die beiden Ringflächen 13, 14 erstrecken sich in Radialrichtung 12 und in Umfangsrichtung 19. Die erste Ringfläche 13 grenzt an die zweite Ringfläche 14 und liegt außerhalb der zweiten Ringfläche 14.
Der Formkörper 4 weist sechs erste kanalförmige Aufnahmen 5, sechs zweite kanalförmige Aufnahmen 6 und sechs dritte kanalförmige Aufnahmen 7 auf. Die ersten kanalförmigen Aufnahmen 5 sind entlang der Umfangsrichtung 19 auf der ersten Ringfläche 13 angeordnet. Die dritten kanalförmigen Aufnahmen 7 sind entlang der Umfangsrichtung auf der zweiten Ringfläche 14 angeordnet.
Die dritten kanalförmigen Aufnahmen 7 sind entlang der Umfangsrichtung jeweils auf beiden Ringflächen 13, 14 angeordnet. Hierzu ist jede dritte kanalförmige Aufnahme 7 in einen ersten Abschnitt 20 und in einen zweiten Abschnitt 21 unterteilt. Der erste Abschnitt 20 liegt in der ersten Ringfläche 13. Der zweite Abschnitt 21 liegt in der zweiten Ringfläche 14.
Durch die spezielle Ausgestaltung der zweiten Aufnahmen 6 liegt der erste Abschnitt 20 jeweils zwischen zwei ersten Aufnahmen 5. Der zweite Abschnitt 21 liegt jeweils zwischen zwei dritten Aufnahmen 7.
Die kanalförmigen Aufnahmen 5, 6, 7 setzen sich jeweils zusammen aus einem Boden 9 und zwei voneinander beabstandeten Seitenwänden 8. Die Seitenwände 8 stehen senkrecht auf dem Boden. In einer der Seitenwände 8 und im Boden 9 sind jeweils Schlitze 10 ausgebildet. Die Schlitze 10 fluchten mit den Statornuten 3 des Statorkörpers 2.
In die Statornuten 3 sind Spulen eingezogen. Der Übersichtlichkeit halber sind die Spulen in den Figuren nicht dargestellt. Die jeweiligen Spulenköpfe werden in die Aufnahmen 5, 6, 7 des Formkörpers 4 eingelegt und somit voneinander isoliert.
3 zeigt den genauen Aufbau des Formkörpers 4. Der Formkörper 4 ist aus einem ersten Ringkörper 16, einem zweiten Ringkörper 17 und einem dritten Ringkörper 18 zusammengesetzt. Die einzelnen Ringkörper 16, 17, 18 werden ineinandergesteckt, so dass der in 2 dargestellte Formkörper 4 entsteht.
Insbesondere werden die Ringkörper 16, 17, 18 jeweils einstückig als Spritzgussteile gefertigt.
Der gezeigte Stator 1 mit dem Formkörper 4 ermöglicht eine betriebssichere Isolation der Spulenköpfe und gleichzeitig eine platzsparende Anordnung der Spulenköpfe.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Statorkörper
3: Statornuten
4: Formkörper
5: erste kanalförmige Aufnahme
6: zweite kanalförmige Aufnahme
7: dritte kanalförmige Aufnahme
8: zwei Seitenwände
9: Boden
10: Schlitze
11: Mittelachse
12: Radialrichtung
13: erste Ringfläche
14: zweite Ringfläche
16: erster Ringkörper
17: zweiter Ringkörper
18: dritter Ringkörper
19: Umfangsrichtung
20: erster Abschnitt
21: zweiter Abschnitt

Claims

Stator (1) für eine elektrische Maschine, umfassend: - einen zylindrischen Statorkörper (2) mit mehreren Statornuten (3), - zumindest eine in die Statornuten (3) eingesetzte erste Spule für eine erste Phase (U), wobei die erste Spule an zumindest einer Stirnseite des Statorkörpers (2) einen ersten Spulenkopf aufweist, - zumindest eine in die Statornuten eingesetzte zweite Spule für eine zweite Phase (V), wobei die zweite Spule an der zumindest einen Stirnseite des Statorkörpers (2) einen zweiten Spulenkopf aufweist, - zumindest eine in die Statornuten (3) eingesetzte dritte Spule für eine dritte Phase (W), wobei die dritte Spule an der zumindest einen Stirnseite des Statorkörpers (2) einen dritten Spulenkopf aufweist, - zumindest einen Formkörper (4) zur Aufnahme und elektrischen Isolation der Spulenköpfe, wobei sich der Formkörper (4) in einer ersten Ringfläche (13) und eine zur ersten Ringfläche (13) konzentrischen zweiten Ringfläche (14) erstreckt, - wobei an der zumindest einen Stirnseite des zylindrischen Statorkörpers (2) der zumindest eine erste Spulenkopf in der ersten Ringfläche (13) angeordnet ist, der zumindest eine dritte Spulenkopf in der zweiten Ringfläche (14) angeordnet ist, und der zumindest eine zweite Spulenkopf in der ersten und in der zweiten Ringfläche (13, 14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (4) aus einem ersten Ringkörper (16), einem zweiten Ringkörper (17) und einem dritten Ringkörper (18) zusammengesetzt ist.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringflächen (13, 14) senkrecht zu einer Mittelachse (11) des zylindrischen Statorkörpers (3) stehen.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (4) kanalförmige Aufnahmen (5, 6, 7) für die jeweiligen Spulenköpfe umfasst.
Stator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmigen Aufnahmen (5, 6, 7) den jeweiligen Spulenkopf an zumindest drei Seiten abdecken.
Stator nach einem Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine kanalförmige Aufnahme (6) für den zumindest einen zweiten Spulenkopf einen ersten kanalförmigen Abschnitt (14) in der ersten Ringfläche (13) und einen zweiten kanalförmigen Abschnitt (15) in der zweiten Ringfläche (14) umfasst.
Stator nach einem Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmigen Aufnahmen (5, 6, 7) an ihren Enden jeweils zumindest einen mit einer der Statornuten (3) fluchtenden Schlitz (10) aufweisen.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ringkörper (16) und/oder der zweite Ringkörper (17) und/oder der dritte Ringkörper (18) jeweils einstückig, vorzugsweise als Spritzgussteil, gefertigt ist.
Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolation der Statornuten (3) in den Formkörper (3) integriert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Stators (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine erste Spule und/oder die zumindest eine zweite Spule und/oder die zumindest eine dritte Spule außerhalb des Statorkörpers (2) gewickelt werden und anschließend in die Statornuten (3) und in den Formkörper (4) eingezogen werden.