DE102014200323A1

DE102014200323A1 - Spulensegmente für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE102014200323A1
Application number: DE102014200323.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Wolf
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2015-07-16
Also published as: WO2015104119A3; WO2015104119A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spulensegment, eine aus mindestens zwei derartigen Spulensegmenten zusammengefügte Spule, ein Rotor- oder Statorsegment (101), einen aus mindestens zwei derartigen Rotor- oder Statorsegmenten (101) zusammengefügten Rotor oder Stator eines Elektromotors sowie entsprechende Herstellungsverfahren. Die Spule weist mindestens eine mit einer Isolierung isolierte Spulenwicklung auf. Die Spulensegmente umfassen jeweils ein Isolierungssegment (111, 203), wobei das Isolierungssegment (111, 203) einen Teil der Isolierung bildet, wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden, und wobei das Isolierungssegment (111, 203) mit mindestens einer durchgängigen ersten Aussparung (109, 205) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spulensegment nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine aus mindestens zwei derartigen Spulensegmenten zusammengefügte Spule, ein Rotor- oder Statorsegment nach dem Oberbegriff von Anspruch 15, einen aus mindestens zwei derartigen Rotor- oder Statorsegmenten zusammengefügten Rotor oder Stator eines Elektromotors sowie entsprechende Herstellungsverfahren.
Eine Spule bzw. elektrische Spule weist eine Spulenwicklung auf. Hierbei handelt es sich um einen elektrischen Leiter, der in mindestens einer, meist in einer Vielzahl von Windungen um eine Achse verläuft. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen innerhalb der Spulenwicklung ist die Spulenwicklung mit einer Isolierung versehen. Dies ist ein elektrisch nicht leitfähiges Material, das den Leiter umgibt.
Um den magnetischen Fluss einer stromdurchflossenen Spule zu bündeln und die Induktivität und magnetische Flussdichte der Spule zu vergrößern, kann die Spule mit einem Kern versehen sein. Hierbei handelt es sich um eine aus einem ferromagnetischen Stoff bestehende Komponente, die sich mindestens teilweise innerhalb der Spulenwicklung befindet. Der elektrische Leiter der Spulenwicklung ist also um mindestens einen Teil des Kerns herumgewickelt.
Wird die Spule von einem sich ändernden Strom, z.B. Wechselstrom, durchflossen, treten in dem Kern Wirbelströme auf. Um dies zu vermeiden, kann der Kern als Blechpaket ausgebildet sein. Das Blechpaket besteht aus mehreren, das heißt mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei, aufeinandergestapelten Blechen. Die Bleche bestehen jeweils aus einem ferromagnetischen Werkstoff und sind mit einer Isolierung versehen, die einen Stromfluss zwischen den Blechen verhindert.
Unter einem Blech wird hier eine Komponente mit zwei parallel zueinander verlaufenden Stirnflächen verstanden. Die Dicke des Blechs, das heißt der Abstand der beiden Stirnflächen, ist gering. Insbesondere ist die Dicke des Blechs kleiner als die Abmessungen der beiden Stirnflächen.
Spulen werden in elektrischen Schaltelementen, wie zum Beispiel Relais, oder elektromagnetischen Bauteilen verwendet. Auch in Transformatoren kommen Spulen zum Einsatz. Darüber hinaus dienen Spulen in elektrischen Motoren der Wandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und in Generatoren der Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie.
Der sogenannte Nutfüllfaktor stellt eine wichtige Kenngröße für die Effizienz elektrischer Motoren und Generatoren dar. Der Nutfüllfaktor berechnet sich als Quotient aus der effektiven Querschnittsfläche des elektrischen Leiters der Spule und der maximal zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche.
Als elektrischer Leiter einer Spule kommt meist ein Kupferdraht zum Einsatz. Um den Nutfüllfaktor zu verbessern, kann der Querschnitt des Kupferdrahts rechteckig sein. Hierdurch werden Bauraumverluste zwischen einzelnen Wicklungen minimiert. Insbesondere in den Randbereichen der Spule verbleibt aber ungenutzter Bauraum.
Zur weiteren Verbesserung des Nutfüllfaktors schlägt die Druckschrift DE 10 2010 020 897 A1 eine Spule mit einer gegossenen Spulenwicklung vor. Hierbei wird die gesamte Spulenwicklung einstückig gegossen. Dies, führt zu Problemen bei der anschließend erforderlichen Isolierung der Spulenwicklung. Auch schränkt das Verfahren die möglichen Spulengeometrien ein. Insbesondere komplexere Spulengeometrien, die von der in der Druckschrift DE 10 2010 020 897 A1 offenbarten Spulengeometrie abweichen, lassen sich nicht realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Nutfüllfaktor unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Spulensegment nach Anspruch 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine Spule aus mehreren Spulensegmenten zusammenzusetzen. Ein Spulensegment kennzeichnet dabei einen Teilbereich der Spule, der durch eine oder zwei durch die Spule verlaufende, nicht zwangsläufig ebene Schnittflächen begrenzt wird. Die Spule wird gefertigt, indem die Spulensegmente zusammengesetzt und miteinander verfügt werden. Auf diese Weise lassen sich nahezu beliebige Spulengeometrien realisieren.
Ein erfindungsgemäßes Spulensegment ist Teil einer Mehrzahl, das heißt von mindestens zwei, Spulensegmenten. Die Spulensegmente können zu einer elektrischen Spule zusammengefügt werden. Dies bedeutet, dass das erfindungsgemäße Spulensegment mit mindestens einem weiteren Spulensegment zu der Spule zusammengefügt werden kann. Die Spule weist mindestens eine Spulenwicklung auf, die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Eine aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehende Isolierung dient dazu, die Spulenwicklung zu isolieren. Vorzugsweise ist mindestens ein Teil der Spulenwicklung von der Isolierung umgeben.
Die Spulensegmente, das heißt die zu der Mehrzahl von Spulensegmenten gehörigen Spulensegmente, weisen jeweils ein Isolierungssegment auf. Das Isolierungssegment bildet einen Teil der Isolierung, wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden.
Das Isolierungssegment ist mit mindestens einer durchgängigen ersten Aussparung versehen. Dies ist eine Aussparung mit mindestens zwei Mündungen. Die Aussparung dient dazu, die Spulenwicklung durch das Isolierungssegment hindurchzuführen.
Vorzugsweise besteht die Spule ausschließlich aus den Spulensegmenten. Entsprechend besteht dann die Isolierung ausschließlich aus den Isolierungssegmenten.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die Spulensegmente jeweils mindestens ein Wicklungssegment auf. Das Wicklungssegment bildet einen Teil der Spulenwicklung, wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden. Entsprechend besteht das Wicklungssegment bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Material.
Das Wicklungssegment ist mindestens teilweise in die erste Aussparung eingelassen. Auf diese Weise umgibt das Isolierungselement mindestens einen Teil des Wicklungssegments, so dass das Isolierungselement gegenüber dem Wicklungssegment isolierend wirkt. Wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden, wirken infolgedessen sämtliche Isolierungselemente und damit die aus den Isolierungselementen zusammengesetzte Isolierung gegenüber der aus den Spulensegmenten zusammengesetzten Spule isolierend.
Vorzugsweise wird die erste Aussparung vollständig von dem Wicklungssegment ausgefüllt. Das Wicklungssegment verläuft also durch das Isolierungselement hindurch.
Die Wicklungssegmente, das heißt die Wicklungssegmente der Spulensegmente der Vielzahl von Spulensegmenten, werden zu der Spulenwicklung zusammengefügt, wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden. Vorzugsweise besteht die Spulenwicklung aus den Wicklungssegmenten.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Weiterbildung mit einem Isolierungselement erwiesen, das aus einem im Spritzguss- oder Fließpressverfahren verarbeitbarem Material besteht. Bei dem Material kann es sich mindestens teilweise um Kunststoff, insbesondere um einen Thermoplast oder einen Duroplast handeln.
Als Wicklungssegment eignet sich ein Metallteil, etwa aus Kupfer bestehend, das in die erste Aussparung eingeführt wird. Dies ist jedoch mit Restriktionen hinsichtlich der Form der ersten Aussparung und des Wicklungssegments und infolgedessen auch hinsichtlich der Spulenwicklung und der gesamten Spule verbunden. Vorzugsweise besteht daher auch das Wicklungssegment aus einem im Spritzguss oder Fließpressverfahren verabeitbaren Material. Hierbei handelt es sich mindestens teilweise um einen Kunststoff, insbesondere um einen Thermoplast oder einen Duroplast handeln. Das Wicklungssegment wird dann in die erste Aussparung des Isolierungselements eingespritzt.
Kunststoff ist allerdings ein elektrischer Isolator. Um das Wicklungssegment und damit die Spulenwicklung dennoch leitfähig zu gestalten, kann der Kunststoff mit leitfähigen Partikeln angereichert beziehungsweise vermischt werden. Die Partikel – insbesondere sind Nanopartikel geeignet – können etwa aus Graphit, Karbon, Ruß oder Metall bestehen.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Spulensegment ein Blech. Dieses bildet mit mindestens einem weiteren Blech eines Spulensegments ein Blechpaket, wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden. Das Blechpaket wiederum bildet einen Spulenkern der Spule.
Möglich sind sowohl Ausführungsformen, bei denen jedes der Spulensegmente, die zu der Spule zusammengefügt werden, ein Blech des Blechpakets umfasst, als auch Ausführungsformen, bei denen mindestens eins der Spulensegmente, die zu der Spule zusammengefügt werden, kein Blechpaket umfasst. Letztgenannte Ausführungsformen ermöglichen einfachere Geometrien der Wicklungssegmente und entsprechend der ersten Aussparungen. Auch die Herstellung der Spulensegmente vereinfacht sich.
Analog zu den Aussparungen für die Spulenwicklung lassen sich in die Spulensegmente auch Aussparungen einbringen, die einen Kühlkanal bilden, wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden. Weiterhin bevorzugt wird daher ein Spulensegment, bei dem das Isolierungselement mit mindestens einer durchgängigen zweiten Aussparung versehen ist, die einen Teil des Kühlkanals bildet, wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden.
Vorteilhaft ist eine Anordnung der zweiten Aussparung derart, dass das Blech einen Teil der Umrandung der zweiten Aussparung bildet. Die zweite Aussparung wird also teilweise von dem Blech begrenzt. Das Blech bildet eine Wandung der zweiten Aussparung.
Insbesondere weisen die Isolierungssegmente mindestens zweier Spulensegmente mindestens eine durchgängige zweite Aussparung auf, die einen Teil des Kühlkanals bildet, wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden. Vorzugsweise bilden die Aussparungen der Isolierungselemente den Kühlkanal. Der Kühlkanal besteht dann aus den Aussparungen der Isolierungssegmente.
Das Spulensegment ist vorzugsweise derart weitergebildet, dass mindestens ein Kragen und/oder mindestens eine Nut um die Aussparung herum verläuft. Der Kragen und/oder die Nut verläuft geschlossen, umgibt die Aussparung also vollständig.
Um eine elektrisch leitfähige Spulenwicklung zu erhalten, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Spule, die aus mindestens einem ersten Spulensegment und einem zweiten Spulensegment mit den Merkmalen eines der oben beschriebenen Spulensegmente zusammengefügt ist, derart ausgestaltet, dass mindestens eine Kontaktierung, das heißt eine elektrisch leitende Verbindung, zwischen mindestens einem ersten Wicklungssegment des ersten Spulensegments und mindestens einem zweiten Wicklungssegment des zweiten Spulensegments besteht. Die Kontaktierung kann auf verschiedene Arten zustande kommen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Spule entsteht die Kontaktierung durch eine Schweißverbindung zwischen dem ersten Wicklungssegment und dem zweiten Wicklungssegment. Da das erste Wicklungssegment und das zweite Wicklungssegment aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, ist auch die Schweißverbindung und infolgedessen die Spulenwicklung leitfähig.
Anstelle einer Schweißverbindung ist auch eine Lötverbindung oder eine Klebverbindung mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff denkbar.
Vorzugsweise wird die Spule aus mindestens einem ersten Spulensegment, das mit dem oben beschriebenen Kragen versehen ist, und einem zweiten Spulensegment, das mit der oben beschriebenen Nut versehen ist, zusammengefügt. Der Kragen und die Nut sind so ausgebildet, dass der Kragen in die Nut eingreift.
Da der Kragen um die erste Aussparung des ersten Spulensegments herum verläuft, die Nut um die erste Aussparung des zweiten Spulensegments, werden die beiden ersten Aussparungen auf diese Weise nach außen hin gekapselt. Dies hat sich insbesondere beim Verschweißen des ersten Wicklungssegments des ersten Spulenelements mit dem zweiten Wicklungssegment des zweiten Spulenelements erwiesen. Der in die Nut eingreifende Kragen verhindert, dass Teile des ersten Wicklungssegments und Teile des zweiten Wicklungssegments, die sich beim Schweißen verflüssigen, in den Spalt zwischen dem ersten Spulensegment und dem zweiten Spulensegment gelangen können. Auch ist es möglich, mittels der in den Kragen eingreifenden Nut Lötzinn oder Klebstoff im Bereich der zwischen dem ersten Wicklungssegment und dem zweiten Wicklungssegment herzustellenden elektrisch leitenden Verbindung zu fixieren.
Anstelle einer Schweiß-, Kleb- oder Lötverbindung kann ein einfacher Kontakt zwischen den Oberflächen des ersten Wicklungssegments und des zweiten Wicklungssegments ausreichend sein. Da das erste Wicklungssegment und das zweite Wicklungssegment aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, ist auch eine solche, durch einen Oberflächenkontakt hergestellte Verbindung elektrisch leitfähig. Dann muss eine Fixierung der Spulensegmente allerdings anderweitig hergestellt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dient hierzu eine Klemmvorrichtung, die eine Kraft auf die Spule ausübt. Diese Kraft wirkt derart, dass insbesondere das erste Wicklungssegment und das zweite Wicklungssegment aufeinandergedrückt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Spule, die aus mindestens einem ersten Spulensegment der oben beschriebenen Art und einem zweiten Spulensegment der oben beschriebenen Art zusammengefügt ist, wobei mindestens eine Schweißverbindung zwischen mindestens einem ersten Wicklungssegment des ersten Spulensegments und mindestens einem zweiten Wicklungssegment des zweiten Spulensegments besteht, ist vorzugsweise derart weitergebildet, dass die Schweißverbindung durch Widerstandsschweißen oder Vibrationsschweißen hergestellt wird. Alternativ kann die Schweißverbindung auch durch Induktionsschweißen zustande kommen. Widerstandsschweißen und Vibrationsschweißen werden allerdings bevorzugt, da diese Verfahren eine gezielte Erwärmung an den Kontaktstellen der Wicklungssegmente ermöglichen.
Vibrationsschweißen eignet sich zudem nicht nur, um die Wicklungssegmente miteinander zu verschweißen, sondern auch, um die Isolierungssegmente, das heißt mindestens das Isolierungssegment des ersten Spulensegments mit dem Isolierungssegment des zweiten Spulensegments, zu verschweißen. Die Wicklungssegmente und die Isolierungssegmente werden dabei gleichzeitig, das heißt in einem einzigen Verfahrensschritt, verschweißt.
Zur Herstellung der Spule werden die einzelnen Spulensegmente, das heißt mindestens ein erstes Spulensegment und ein zweites Spulensegment, zunächst aufeinandergestapelt. Wenn es sich dabei um Spulensegmente handelt, die bereits ein Wicklungssegment aufweisen, das heißt in deren Aussparung das Wicklungssegment mindestens teilweise eingelassen ist, erfolgt anschließend ein Verfahrensschritt, in dem die Wicklungssegmente kontaktiert werden, etwa durch Verschweißen, Verlöten oder Verkleben.
Alternativ werden mindestens ein erstes Spulensegment und ein zweites Spulensegment aufeinandergeschichtet, bei denen die durchgängige erste Aussparung zunächst noch nicht mit einem Wicklungssegment gefüllt ist. Die Wicklungssegmente werden also anschließend in die Aussparungen eingelassen. So lassen sich etwa Wicklungssegmente realisieren, die sich über mehrere erste Aussparungen erstrecken. Ein einzelnes Wicklungssegment ist also in einem einzigen Verfahrensschritt mindestens teilweise in die erste Aussparung des ersten Spulensegments und mindestens teilweise in die erste Aussparung des zweiten Spulensegments eingelassen.
Weiterhin ist es möglich, mehrere erste Aussparungen in einem einzigen Verfahrensschritt im Spritzguss oder Fließpressverfahren zu füllen.
Spulen der oben beschriebenen Art sind insbesondere für Rotoren und/oder Statoren eines Elektromotors geeignet. Ein Rotor und/oder Stator ist entsprechend zusammengefügt aus mindestens einem ersten Rotor- oder Statorsegment und einem zweiten Rotor- oder Statorsegment der oben beschriebenen Art.
Der Rotor und/oder der Stator umfasst mindestens eine erste und eine zweite der oben beschriebenen Spulen. Die erste Spule weist mindestens ein erstes Spulensegment mit einem ersten Blech auf. Dieses ist Teil eines Blechpakets, das den Spulenkern der ersten Spule bildet. Entsprechend weist die zweite Spule mindestens ein zweites Spulensegment mit einem zweiten Blech auf, das Teil eines Blechpakets ist, das einen Spulenkern der zweiten Spule bildet.
Die einzelnen Spulenkerne sind vorzugsweise in einem einzigen Bauteil integriert. Mindestens der Kern der ersten Spule und der Kern der zweiten Spule sind also einstückig miteinander verbunden. Da es sich um Blechpakete handelt, sind entsprechend mindestens das erste Blech, das heißt das Blech des ersten Spulensegments, und das zweite Blech, das heißt das Blech des zweiten Spulensegments, einstückig miteinander verbunden. Ein Blechstück, in welches das erste Blech und das zweite Blech integriert sind, wird also mit mehreren gleichartigen Blechen gestapelt. Das so entstandene Blechpaket ist derart ausgebildet, dass es die Kerne der ersten Spule und der zweiten Spule umfasst.
Die oben aufgeführten Verfahrensschritte werden bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. Diese Reihenfolge ist jedoch nicht ausschließlich. So ist es denkbar, die einzelnen Verfahrensschritte in nahezu beliebiger abweichender Reihenfolge auszuführen.
In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert. Dabei kennzeichnen übereinstimmende Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt
1 ein Statorsegment mit einem Isolierungssegment und Wicklungssegmenten;
2a Wicklungssegmente, die um den Spulenkern herumführen;
2b ein entsprechendes Isolierungssegment; und
3 ein Isolierungssegment mit einer Nut und einem Kragen.
Das in 1 dargestellte Statorsegment 101 umfasst ein einstückig ausgeführtes Blech 103. Das Blech 103 besteht aus einem kreisringförmigen Segment 105 und mehreren T-förmigen Segmenten 107, die im Inneren des kreisringförmigen Segments 105 angeordnet und einstückig mit diesem verbunden sind. Das kreisringförmige Segment 105 und die T-förmigen Segmente 107 lassen Aussparungen 109 frei.
Jedes der T-förmigen Segmente 107 ist mit einem Isolierungssegment 111 umspritzt. 1 stellt lediglich ein einzelnes Isolierungssegment 111 dar.
Das Isolierungssegment 111 weist eine Vielzahl von Aussparungen 113 auf. Die in 1 links dargestellten Aussparungen 113 sind frei. In den in 1 auf der rechten Seite dargestellten Aussparungen 113 befinden sich Wicklungssegmente 115.
Weitere Aussparungen 117 sind dazu vorgesehen, einen Kühlkanal zu bilden. Durch diesen Kühlkanal kann eine Kühlflüssigkeit geleitet werden, um die in Betrieb des Motors entstehende Verlustwärme abzuführen.
Das Statorsegment 101 kann mit weiteren gleichartigen Statorsegmenten 101 zu einem Stator eines Elektromotors zusammengefügt werden. Dazu werden die Statorsegmente 101 aufeinandergestapelt und miteinander verfügt. Insbesondere werden Paare von jeweils zwei aneinander angrenzenden Wicklungssegmenten 201 kontaktiert. Dies ist erforderlich, damit leitfähige Spulenwicklungen entstehen. Darüber hinaus können Paare von jeweils zwei aneinander angrenzenden Isolierungssegmenten 203 miteinander verfügt werden. Dies erhöht die Stabilität des Stators und verhindert, dass Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, zwischen den einzelnen Isolierungssegmenten 203 eindringen und Kurzschlüsse verursachen können. Der Kühlkanal wird analog abgedichtet.
Die Aussparungen 109 der zusammengefügten Statorsegmente bilden Statornuten zur Aufnahme der Spulenwicklungen.
Um Wirbelströme zu vermeiden, müssen die einzelnen Bleche 103 gegeneinander elektrisch nichtleitend isoliert werden. Zu diesem Zweck geeignete Maßnahmen finden auch bei herkömmlichen Elektromotoren Verwendung und sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
Um durch Zusammenfügen verschiedener Statorsegmente 101 eine um mindestens 360° um einen Spulenkern herum verlaufende Spulenwicklung zu realisieren, sind verschiedenartig gestaltete Statorsegmente 101 erforderlich. Das in 1 dargestellte Statorsegment 101 weist Spulensegmente, bestehend jeweils aus einem der T-förmigen Bereiche 107 des Blechs 105, einem der Isolierungssegmente 111 und in die Aussparungen 113 des Isolierungssegments 111 eingelassenen Wicklungssegmenten 115, einer ersten Art auf. Die Spulensegmente der ersten Art bilden Bereiche der Spulenwicklung, in denen die Spulenwicklung innerhalb der Statornuten in axialer Richtung, das heißt parallel zu der Drehachse des Elektromotors, verläuft.
Spulensegmente einer zweiten Art zeigen die 2a und 2b. In 1 sind die nur die Wicklungssegmente 201 dargestellt. Diese Wicklungssegmente 201 dienen dazu, die durch die Wicklungssegmente 115 der Spulensegmente der ersten Art gebildeten Bereiche zu verbinden.
Zu einem Spulensegment der zweiten Art gehört kein Blech. Das in den 2a und 2b dargestellte Blech 101 ist stattdessen Teil des auch in 1 dargestellten Statorsegments 101 mit dem Spulensegment der ersten Art. Die 2a und 2b zeigen also ein Spulensegment der ersten Art und ein Spulensegment der zweiten Art, die bereits zusammengefügt wurden. Das Spulensegment der zweiten Art befindet sich dabei in den Darstellungen der 2a und 2b oberhalb des Spulensegments der ersten Art.
Die in 2a dargestellten Wicklungssegmente 201 verlaufen quer zu den in 1 dargestellten Wicklungssegmenten 115. Insbesondere verlaufen die Wicklungssegmente 201 orthogonal zu der Drehachse des Elektromotors. Jedes der Wicklungssegmente 201 verbindet zwei, auf unterschiedlichen Seiten eines T-förmigen Bereichs 107 des Blechs 103 angeordnete Wicklungssegmente 115 leitend miteinander. Indem weitere Spulensegmente der in den 2a und 2b dargestellten Art ergänzt werden, entsteht eine Spulenwicklung mit umlaufenden Leiterbahnen.
In 2a nicht dargestellt ist das zu dem Spulensegment gehörige Isolierungssegment. Dieses Isolierungssegment 203 zeigt 2b. Das Isolierungssegment 203 weist Aussparungen 205 auf, in welche die Wicklungssegmente 201 eingelassen werden können. Zu erkennen ist, dass die Aussparungen 205 als Negativformen der Wicklungssegmente 201 ausgebildet sind.
3 zeigt einen Querschnitt des Isolierungssegments 111 mit einem in die Aussparung 113 eingelassenen Wicklungssegment 115. Das Isolierungssegment 111 ist mit einem Kragen 301 und einer Nut 303 versehen. Die Nut 303 ist als Negativform des Kragens 301 ausgebildet. Das Wicklungssegment 115 füllt die Aussparung 113 nicht vollständig aus, sondern lässt im Bereich des Kragens 301 eine Mulde 305 frei.
Auf der der Mulde 305 gegenüberliegenden Seite des Isolierungssegments 111, das heißt im Bereich der Nut 303, bildet das Wicklungssegment 115 eine Spitze 307 aus. Die Spitze 307 befindet sich nicht in der Aussparung 113, sondern steht aus der Aussparung 113 beziehungsweise aus dem Isolierungssegment 111 hervor. Die Spitze 307 und die Mulde 305 sind weiterhin volumengleich. Allerdings übersteigt die Länge 309 der Spitze 307 die Tiefe 311 der Mulde 305.
Werden ein erstes Spulensegment und ein zweites Spulensegment zusammengefügt, gelangt die Spitze 307 des ersten Spulensegments in die Mulde 305 des zweiten Spulensegments. Dort tritt die Spitze 307 des ersten Spulensegments in Kontakt mit dem Wicklungssegment 115 des zweiten Spulensegments. Weiterhin greift der Kragen 301 des zweiten Spulensegments in die Nut 303 des ersten Spulensegments ein. Auf diese Weise bilden die Nut 303 des ersten Spulensegments, der Kragen 301 des zweiten Spulensegments und die Mulde 305 des zweiten Spulensegments einen Hohlraum, der die Spitze 307 des ersten Spulensegments umschließt.
Zunächst besteht ein Spalt zwischen dem Isolierungssegment 111 des ersten Spulensegments und dem Isolierungssegment 111 des zweiten Spulensegments. Wird das Wicklungssegment 115 des ersten Spulensegments mit dem Wicklungssegment 115 des zweiten Spulensegments verschweißt, verflüssigt sich das Wicklungssegment 115 des zweiten Spulensegments im Bereich der Mulde 305. Weiterhin verflüssigt sich die Spitze 307 des ersten Spulensegments. Aufgrund der Volumengleichheit der Spitze 307 des ersten Spulensegments und der Mulde 305 des zweiten Spulensegments führt dies dazu, dass die Spitze 307 des ersten Spulensegments die Mulde 305 des zweiten Spulensegments vollständig ausfüllt. Dabei kommt im Bereich der Mulde 305 des zweiten Spulensegments eine Schweißverbindung zwischen dem Wicklungssegment 115 des ersten Spulensegments und dem Wicklungssegment 115 des zweiten Spulensegments zustande. Die Verflüssigung der Spitze 307 des ersten Spulenelements beim Schweißen führt weiterhin dazu, dass sich der Abstand zwischen dem Isolierungselement 111 des ersten Spulensegments und dem Isolierungselement 111 des zweiten Spulensegments verringert, so dass beide Isolierungssegmente 111 einander berühren.
Bezugszeichenliste

101: Statorsegment
103: Blech
105: kreisringförmiges Segment
107: T-förmiges Segment
109: Aussparung
111: Isolierungssegment
113: Aussparung
115: Wicklungssegment
117: Aussparung
201: Wicklungssegment
203: Isolierungssegment
205: Aussparung
301: Kragen
303: Nut
305: Mulde
307: Spitze
309: Länge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010020897 A1 [0009, 0009]

Claims

Spulensegment, wobei das Spulensegment mit mindestens einem weiteren Spulensegment zu einer Spule zusammengefügt werden kann, wobei die Spule mindestens eine mit einer Isolierung isolierte Spulenwicklung aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Spulensegmente jeweils ein Isolierungssegment (111, 203) aufweisen; wobei das Isolierungssegment (111, 203) einen Teil der Isolierung bildet, wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden; und wobei das Isolierungssegment (111, 203) mit mindestens einer durchgängigen ersten Aussparung (109, 205) versehen ist.
Spulensegment nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass die Spulensegmente jeweils mindestens ein Wicklungssegment (115, 201) aufweisen; wobei das Wicklungssegment (115, 201) einen Teil der Spulenwicklung bildet, wenn die Spulensegmente zu der Spule zusammengefügt werden; und wobei das Wicklungssegment (115, 201) mindestens teilweise in die erste Aussparung (109, 205) eingelassen ist.
Spulensegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierungssegment (111, 203) und/oder das Wicklungssegment (115, 201) aus einem im Spritzguss- oder Fließpressverfahren verarbeitbaren Material bestehen.
Spulensegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule ein Blechpaket als Spulenkern aufweist, und dass das Spulensegment ein Blech (107) des Blechpakets umfasst.
Spulensegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die Spule mindestens einen Kühlkanal aufweist; wobei das Isolierungssegment (111, 203) mit mindestens einer durchgängigen zweiten Aussparung (117) versehen ist; und wobei die zweite Aussparung (117) einen Teil des Kühlkanals bildet, wenn das Spulensegment mit dem weiteren Spulensegment zu der Spule zusammengefügt wird.
Spulensegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, mindestens einen Kragen (301) und/oder mindestens eine Nut (303), wobei der Kragen (301) und/oder die Nut (303) um die erste Aussparung (109, 205) herum verläuft.
Verfahren zur Herstellung eines Spulensegments nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Spulensegments nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierungssegment (111, 203) und/oder das Wicklungssegment (115, 201) im Spritzguss- oder Fließpressverfahren hergestellt werden.
Spule, zusammengefügt aus mindestens einem ersten Spulensegment und einem zweiten Spulensegment nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens eine elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens einem ersten Wicklungssegment (115, 201) des ersten Spulensegments und mindestens einem zweiten Wicklungssegment (115, 201) des zweiten Spulensegments.
Spule nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verbindung um eine Schweißverbindung handelt.
Spule nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, zusammengefügt aus mindestens einem ersten Spulensegment nach Anspruch 6 und einem zweiten Spulensegment nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spulensegment mindestens mit dem Kragen (301) versehen ist, und dass das zweite Spulensegment mindestens mit der Nut (303) versehen ist, wobei der Kragen (301) in die Nut (303) eingreift.
Spule nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Klemmvorrichtung zum Ausüben einer Kraft auf die Spule derart, dass das erste Wicklungssegment (115, 201) und das zweite Wicklungssegment (115, 201) aufeinandergedrückt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Spule nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung durch Widerstandsschweißen oder Vibrationsschweißen hergestellt wird.
Rotor- oder Statorsegment (101), wobei das Rotor- oder Statorsegment (101) mit mindestens einem weiteren Rotor- oder Statorsegment (101) zu einem Rotor oder Stator eines Elektromotors zusammengefügt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor oder Stator mindestens eine erste Spule und eine zweite Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei die erste Spule mindestens ein erstes Spulensegment nach einem der Ansprüche 4 bis 6 mit einem ersten Blech (107) ausweist, wobei die zweite Spule mindestens ein zweites Spulensegment nach einem der Ansprüche 4 bis 6 mit einem zweiten Blech (107) aufweist, und wobei das erste Blech (107) und das zweite Blech (107) einstückig miteinander verbunden sind.
Rotor oder Stator eines Elektromotors, zusammengefügt aus mindestens einem ersten Rotor- oder Statorsegment (101) und einem zweiten Rotor- oder Statorsegment (101) nach dem vorhergehenden Anspruch.