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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
WO 2011/080008 A2 wird ein Stator für eine elektrische Maschine beschrieben, der eine Reihe von Statorsegmenten aufweist, die zu einem umlaufenden Statorring zusammengesetzt sind. Jedes Statorsegment weist ein teilkreisförmiges Jochsegment und einen am Jochsegment radial sich nach innen erstreckenden Trägerzahn auf, der Träger einer Spule ist. Die Jochsegmente liegen radial außen und bilden den umlaufenden Ring.
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Üblicherweise werden die Statorsegmente einzeln mit Spulendraht bewickelt, der nach der Bewicklung durchtrennt wird. Anschließend werden die Statorsegmente zusammengesetzt und die Spulendrähte elektrisch miteinander verbunden.
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Bekannt sind des Weiteren Statoren, bei denen eine Kette von Segmenten bewickelt wird, die beim Zusammenbau bereits elektrisch verbunden sind. Derartige Statoren wird beispielsweise in der
JP 2003 111362 A beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Statorsegmente eines Stators für eine elektrische Maschine in einfacher und ergonomisch durchzuführender Weise mit Spulendraht zu bewickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine, bei der es sich beispielsweise um einen Stellmotor in einem Kraftfahrzeug handelt, weist eine Mehrzahl von Statorsegmenten auf, die jeweils Träger einer Spulenwicklung sind. Im Betrieb werden die Spulenwicklungen bestromt und erzeugen ein elektromagnetisches Feld, welches mit dem Magnetfeld auf einem rotierenden Anker im Stator interagiert. Das Magnetfeld auf dem Anker kann durch Permanentmagnete oder Spulen erzeugt werden, welche über einen Kommutator mit Strom versorgt werden.
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An der Stirnseite der Statorsegmente ist ein Zusatzträgerring angeordnet, der mit Trägerringsegmenten versehen ist, welche an einem Verbindungsring angeordnet sind. Die Trägerringsegmente sind zueinander beabstandet angeordnet und weisen einen zwischenliegenden Durchgang auf, durch den Spulendraht der Spulenwicklungen auf den Statorsegmenten geführt ist.
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Der stirnseitig angeordnete Zusatzträgerring mit den Trägerringsegmenten ermöglicht eine vereinfachte Herstellung des Stators. Zur Bewicklung werden die einzelnen Statorsegmente in umgekehrter Position an der Außenseite des Zusatzträgerrings angeordnet, so dass die gekrümmte Außenseite der Jochsegmente der Statorsegmente, welche im montierten Zustand den durchgehenden Statorring bilden, radial nach innen gerichtet und der radial außen liegenden Seite des Zusatzträgerrings zugewandt sind. Die Statorsegmente sind in diesem Verfahrensschritt noch vereinzelt und können nun mit Spulendraht bewickelt werden. Hierfür wird vorteilhafterweise eine Nadelwickelmaschine eingesetzt, über die der Spulendraht zunächst auf den Trägerzahn eines ersten Statorsegments aufgebracht wird, wobei der Trägerzahn auf Grund der umgekehrten Anordnung des Statorsegments radial nach außen weist. Es besteht somit ausreichend Platz für die Bewicklung der Trägerzähne.
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Nach der Bewicklung eines Trägerzahns wird der Spulendraht durch einen Durchgang zwischen benachbarten Trägerringsegmenten radial nach innen geleitet und in Umfangsrichtung über einen definierten Winkelbereich entlang der Trägerringsegmente geführt. Daraufhin wird der Spulendraht durch einen weiteren Durchgang zwischen Trägerringsegmenten wieder radial nach außen geführt und die Bewicklung des Trägerzahns eines weiteren Statorsegmentes durchgeführt. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis sämtliche Statorsegmente bewickelt sind.
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Nach Fertigstellung der Bewicklung können die Statorsegmente ohne Durchtrennung der Spulendrähte um 180° umgeklappt werden, so dass die Statorsegmente und der Zusatzträgerring Stirnseite an Stirnseite aneinanderliegen. Die Statorsegmente werden hierbei zu dem durchgehenden Statorring zusammengefügt. Zweckmäßigerweise ist der Außendurchmesser von Statorring und Zusatzträgerring gleich oder zumindest annähernd gleich.
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Die Bewicklung der Statorsegmente in ihrer um 180° nach außen geklappten Position an der Außenseite des Zusatzträgerrings kann auf Grund der verbesserten Platzverhältnisse einfach durchgeführt werden. Die Relativbewegung zwischen der Wickelmaschine und den Statorsegmenten wird hierbei vorteilhafterweise über eine Kombination einer axialen einer radialen Verstellbewegung des den Spulendraht führenden Teils der Wickelmaschine, im Falle einer Nadelwickelmaschine ein die Düse tragender Nadelhalter, mit einer Rotationsbewegung des Zusatzträgerrings erreicht. Das den Spulendraht führende Teil der Wickelmaschine kann in den Innenraum des Zusatzträgerrings eingeführt werden und dort axial und in Radialrichtung verstellt werden.
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Vorteilhaft ist des Weiteren, dass der Spulendraht bei der Bewicklung sämtlicher Statorsegmente nicht durchtrennt werden muss. Auch für das Umklappen der Statorsegmente bei der Fertigstellung des Stators ist ein Durchtrennen des Spulendrahts nicht notwendig. Hierdurch wird die Anzahl der erforderlichen Prozessschritte reduziert und die Prozesssicherheit und Zuverlässigkeit verbessert.
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Vorteilhafterweise entspricht die Anzahl der Trägerringsegmente der Anzahl der Statorsegmente. Dadurch bedingt ist auch die Anzahl an Durchgängen zwischen jeweils zwei Trägerringsegmenten gleich, so dass die Spulendrähte der Spulenwicklung an einem Statorsegment durch einen zugeordneten Durchgang zwischen Trägerringsegmenten des Zusatzträgerrings geführt werden können.
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Vorteilhafterweise sind die Statorsegmente mittig zu den Durchgängen zwischen den Trägerringsegmenten angeordnet, um den benötigten Spulendraht so gering wie möglich zu halten und außerdem das Umklappen der Statorsegmente nach Beendigung der Bewicklung in die stirnseitige Position an dem Zusatzträgerring zu erleichtern.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weisen die Trägerringsegmente axial übereinanderliegende, sich in Umfangsrichtung erstreckende Rillen auf, die zur Aufnahme des Spulendrahts dienen. Der Spulendraht wird in die Rillen beim Übergang von einem Statorsegment zu einem nächsten Statorsegment eingelegt. Die Bewicklung erfolgt nach einem vorgegebenen Bewicklungsschema, bei dem üblicherweise nicht unmittelbar nebeneinander liegende, sondern weiter entfernt liegende Statorsegmente nacheinander bewickelt werden. Über die Rillen, welche axial an jedem Trägerringsegment zueinander beabstandet liegen, ist eine sichere Führung des Spulendrahts in Umfangsrichtung entlang der Trägerringsegmente gewährleistet und ein versehentlicher Kurzschluss zwischen benachbart verlaufenden Spulendrähten ausgeschlossen.
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Die Trägerringsegmente weisen vorzugsweise eine trapez- oder dreieckförmige Querschnittsform auf, wobei im fertig montierten Zustand die Trägerringsegmente auf der den Statorsegmenten zugewandten Seite einen größeren Querschnitt aufweisen als auf der den Statorsegmenten abgewandten Seite. Somit verjüngt sich der Stator im Bereich des Zusatzträgerrings zu seiner freien Stirnseite hin konisch.
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Die Rillen an den Trägerringsegmenten befinden sich vorzugsweise an der Außenseite. Bei trapez- oder dreieckförmiger Ausbildung der Trägerringsegmente befinden sich die Rillen an der bezogen auf die Längsachse schräg verlaufenden Außenseite des Zusatzträgerrings, dessen Innenwand zylindrisch ausgeführt ist.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung entspricht der Innendurchmesser des Zusatzträgerrings zumindest dem Innendurchmesser des aus den Statorsegmenten zusammengesetzten Statorrings an der Stirnseite der radial nach innen einragenden Trägerzähne. Damit ist gewährleistet, dass bei der Montage der elektrischen Maschine der Rotor bzw. Anker über den Zusatzträgerring in das Innere des Statorrings eingesetzt werden kann.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Trägerringsegmente Träger von Isolationselementen, die im fertig montierten Zustand zwischen benachbarten Spulen auf den Statorsegmenten angeordnet sind. Die Isolationselemente sind bevorzugt wand- oder plattenförmig ausgebildet. Die Isolationselemente verhindern einen versehentlichen elektrischen Kontakt zwischen den Spulen benachbarter Statorsegmente und verringern dadurch die Kurzschlussgefahr. Die Isolationselemente sind auf den Trägerringsegmenten angeordnet und erstrecken sich in Achsrichtung mit radialer Ausrichtung. Sobald nach Beendigung der Bewicklung die Statorsegmente um 180° umgeklappt werden, kommen die Statorsegmente an der Stirnseite des Zusatzträgerrings, an der auch die Isolationselemente angeordnet sind, zwischen jeweils zwei benachbarten Isolationselementen zu liegen.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Stators für eine elektrische Maschine, mit einem aus Statorsegmenten zusammengesetzten Statorring und einem stirnseitig aufgesetzten Zusatzträgerring mit einzelnen Trägerringsegmenten,
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2 die Statorsegmente in ihrer nach außen gerichteten Position am Zusatzträgering, in der die Bewicklung stattfindet,
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3 eine Draufsicht auf den Zusatzträgerring mit drei exemplarisch eingetragenen Statorsegmenten,
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4 einen Schnitt durch den Zusatzträgerring.
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5 eine perspektivische Darstellung eines Zusatzträgerrings mit aufgesetzten Isolationselementen.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Stator 1 für eine elektrische Maschine wie z.B. einen Stellmotor in einem Kraftfahrzeug dargestellt, der als permanenterregter Synchronmotor ausgeführt sein kann. Der Stator 1 umfasst einen Statorring 2, der an der Innenseite über den Umfang verteilt mehrere bestrombare Spulen trägt, und einen stirnseitig aufgesetzten Zusatzträgerring 3, in den mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende, axial zueinander beabstandete Rillen 4 eingebracht sind. Im fertig montierten Zustand nehmen die Rillen 4 den Spulendraht auf, der die Spulenwicklungen an verschiedenen Positionen an der Innenseite des Statorrings 2 verbindet. Die Außenkontur des Zusatzträgerrings 3 verjüngt sich konisch zur freien Stirnseite hin. Im Übergang zwischen dem Statorring 2 und dem Zusatzträgerring 3 weisen beide Bauteile zumindest annähernd den gleichen Außendurchmesser auf. Der Innendurchmesser des Zusatzträgerrings 3 ist mindestens so groß wie der lichte Innendurchmesser des Statorrings 2.
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In 2 und 3 ist der Zusatzträgerring 3 mit an der Außenseite angeordneten, vereinzelten Statorsegmenten 5 dargestellt. Der Statorring 2 gemäß 1 setzt sich in Umfangsrichtung aus einer Mehrzahl einzelner Statorsegmente 5 zusammen, die in 2 für die Bewicklungsphase in einer um 180° verschwenkten Position an der Außenseite des Zusatzträgerrings 3 dargestellt sind. Jedes Statorsegment 5 weist ein gekrümmtes Jochsegment 6 auf sowie einen sich radial vom Jochsegment 6 erstreckenden Trägerzahn 7, der Träger der Spulenwicklung ist. Im zusammengesetzten Zustand gemäß 1 bildet die gekrümmte Außenseite der Jochsegmente die Statorringaußenseite; die Trägerzähne 7 erstrecken sich entsprechend radial nach innen.
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Die Anordnung der einzelnen Statorsegmente 5 in der um 180° verschwenkten Position an der Außenseite des Zusatzträgerrings 3 gemäß 2 und 3 wird für die Zwecke der Bewicklung gewählt. Hierbei wird beispielsweise mithilfe einer Nadelwickelmaschine der Spulendraht auf den Trägerzahn 7 jedes Statorsegments 5 aufgebracht. Der die Düse für den Spulendraht tragende Nadelhalter der Nadelwickelmaschine kann radial und axial bewegt werden, der Verbund von Zusatzträgerring 3 und den Statorsegmenten 5 kann um die Ringachse verdreht werden, so dass in Kombination dieser Bewegungen die Düse des Nadelhalters jede Position zum Aufbringen des Spulendrahtes ansteuern kann.
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Der Zusatzträgering 3 weist eine Mehrzahl von Trägerringsegmenten 8 auf, die an einem Verbindungsring 9 gehalten sind, wobei jeweils zwischen benachbarten Trägerringsegmenten 8 ein Durchgang 10 gebildet ist (2, 3). Die Anzahl der Trägerringsegmente 8 und der Durchgänge 10 entspricht der Anzahl der Statorsegmente 5. Die Statorsegmente 5 sind an der Außenseite des Zusatzträgerrings 3 mittig an den Durchgängen 10 angeordnet.
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Wie 4 zu entnehmen, weist der Zusatzträgerring 3 im Bereich seiner Trägerringsegmente 8 eine dreieck- oder trapezförmige Querschnittsform auf. Die Rillen 4 sind an der schräg verlaufenden Außenseite des Zusatzträgerrings 3 angeordnet. In Achsrichtung sind eine Mehrzahl von Rillen 4 vorgesehen, die auf Grund der schräg verlaufenden Außenseite jeweils einen unterschiedlichen radialen Abstand zur Achse 11 des Zusatzträgerrings 3 aufweisen. Der Zusatzträgerring 3 ist vorteilhafterweise ein Kunststoffbauteil, welches im Spritzgussverfahren hergestellt werden kann. Die Rillen 4 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel radial nach außen offen. Um die Entformung des Spritzgussbauteils im Bereich der Rillen 4 zu vereinfachen, kann es vorteilhaft sein, dass der Rillenaustrittswinkel eine axiale Komponente aufweist und ggf. in Achsrichtung weist.
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Im Folgenden wird anhand der 2 bis 4 die Bewicklung der Statorsegmente 5 erläutert. Ausgehend von der Anordnung der Statorsegmente 5 gemäß den 2 und 3 mit der gekrümmten Außenseite der Jochsegmente 6 auf der Außenseite des Trägerrings 3 wird beispielsweise mithilfe einer Nadelwickelmaschine der Spulendraht 12 aufgebracht, der in 3 mit strichpunktierter Linie eingetragen ist. Der Spulendraht wird zunächst auf einen Trägerzahn 7 eines ersten Statorsegmentes 5 aufgewickelt, anschließend wird die Düse der Nadelwickelmaschine durch den nächstgelegenen Durchgang 10 radial nach innen bis in den Innenraum des Zusatzträgerrings 3 verfahren. Der Spulendraht wird nun entlang einer Rille 4 – gemäß 3 in der radial außen liegenden Rille 4 – bis zum nächsten, anzusteuernden Statorsegment 5 eingebracht. Das Einsetzen des Spulendrahts in die Rille 4 erfolgt mittels der Düse des Nadelhalters, die axial unterhalb des Zusatzträgerrings 3, jedoch radial innerhalb der Ausnehmung des Zusatzträgerrings angeordnet ist. Der Nadel-/Düsenhalter befindet sich radial im Inneren des Zusatzträgerrings, während die Spitze der Düse radial außerhalb und damit vor der Öffnung der Rille steht.
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Sobald das nächste Statorsegment 5 erreicht ist, wird durch den zugeordneten Durchgang 10 der Spulendraht zum Trägerzahn 7 des betreffenden Statorsegmentes geführt und dieses Statorsegment bewickelt. Danach wird wie vorbeschrieben weiter verfahren und das darauffolgende Statorsegment bewickelt, bis sämtliche Spulen fertiggestellt sind.
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Nach Abschluss des Bewicklungsvorganges werden die Statorsegmente 5, die nunmehr Träger der Spulenwicklungen sind, wie in 2 mit den Pfeilen 13 dargestellt um 180° nach oben geklappt. Da die Statorsegmente 5 für den Bewicklungsvorgang mit ihrer Stirnseite zumindest annähernd auf gleicher Höhe mit der Stirnseite der Trägerringsegmente 8 liegen, gelangen mit dem Hochklappen der Statorsegmente gemäß Pfeil 13 die Stirnseiten der Statorsegmente in Anlage mit den Stirnseiten des Zusatzträgerings 3 bzw. der Trägerringsegmente 8. Damit ist der montierte Zustand gemäß 1 erreicht. Hierbei ist es nicht erforderlich, den Spulendraht 12 zu durchtrennen.
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In 5 ist der Zusatzträgerring 3 mit Isolationselementen 14 dargestellt, welche im fertig montierten Zustand zwischen den Spulen benachbarter Statorsegmente liegen. Die Isolationselemente 14 sind wand- bzw. plattenförmig ausgebildet und befinden sich jeweils auf einem Trägerringsegment 8 des Zusatzträgerrings 3. Die Anzahl der Isolationselemente 14 entspricht somit der Anzahl der Spulen bzw. Statorsegmente.
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Jedes Isolationselement 14 befindet sich auf der Oberseite eines Trägerringsegmentes 8 und erstreckt sich in Achsrichtung mit radialer Ausrichtung. Mit dem Hochklappen der fertig bewickelten Statorsegmente 5 in die stirnseitige Position am Zusatzträgerring 3 gelangen die Statorsegmente in die Zwischenräume zwischen benachbarten Isolationselementen 14, so dass mit dem Hochklappen der Statorsegmente automatisch auch eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten Spulenwicklungen gegeben ist. Innerhalb eines Trägersegmentes 8 sind die Isolationselemente 14 mittig angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011080008 A2 [0002]
- JP 2003111362 A [0004]
