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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spule für eine elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der
DE 198 50 818 A1 ist eine gattungsgemäße Spule mit aus Kunststoff gefertigten Wickelkörpern bekannt, welche einen Wickelbereich zur Aufnahme einer Drahtwicklung aufweisen und wobei der Wickelbereich jeweils durch einen zur Anlage an einem Statorblechpaket einer elektrischen Maschine vorgesehenen Wickelträger und zwei den Wickelbereich begrenzende und mit dem Wickelträger verbundene Schenkel gebildet ist. Die Spulenenden werden dort mit mehreren gemeinsamen Ringleitern einer unmittelbar benachbarten Verschaltungsanordnung beispielsweise in einer Dreieck- oder Sternschaltung verbunden und damit mechanisch festgelegt, wobei die Spulenenden auf einem möglichst kurzem Wege zu deren Verschaltungspunkt geführt werden.
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Eine solche Anordnung unterliegt betriebsbedingt, insbesondere im Zusammenwirken mit einem Verbrennungsmotor in einem Fahrzeugantriebsstrang auftretenden Vibrationen. Dabei kann es zu Relativbewegungen und zu einer permanenten Wechselbelastung von Spulenwicklung und Verschaltungsanordnung kommen, wobei insbesondere die Spulenenden belastet werden. Als Folge kann eine Isolationshülle des Wickeldrahtes beschädigt und ein Kurzschluss zwischen den auf unterschiedlichem Potential liegenden Leiterelementen erzeugt werden. Im ungünstigsten Fall können in diesem Bereich Drahtabrisse auftreten, welche zu einer Leistungseinschränkung oder zu einem Ausfall einer elektrischen Maschine führen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt von dem genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Spule der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche unter dem Einfluss von Vibrationen eine größere Widerstandsfähigkeit und eine größere Funktionssicherheit bietet.
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Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Spule mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die hier vorgeschlagene Spule, insbesondere eine Spule für einen Stator einer elektrischen Maschine umfasst zunächst einen Wickelkörper mit einem Wickelbereich, welcher durch einen Wickelträger und zwei den Wickelbereich begrenzende und mit dem Wickelträger verbundene Schenkel gebildet ist und wobei zumindest ein Schenkel einen ersten Drahtführungsbereich aufweist. Weiterhin umfasst die Spule eine an dem Wickelkörper angeordnete Spulenwicklung aus einem Wickeldraht mit einem Wicklungsanfangsbereich und einem Wicklungsendbereich und mit sich jeweils von dem Wicklungsanfangsbereich und dem Wicklungsendbereich erstreckenden Spulenenden, wobei ein Spulenende an dem ersten Drahtführungsbereich angeordnet ist und dort aus der Spule austritt.
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Als Wicklungsanfangsbereich bzw. als Wicklungsendbereich soll derjenige Teil der Spulenwicklung verstanden werden, an dem der Wickeldraht in eine umlaufende gewundene Spulenwickelrichtung eintritt bzw. von der Spulenwickelrichtung austritt und dabei einer Richtungsänderung gegenüber dem umlaufend als Spule gewickelten Draht erfährt. Mit anderen Worten stellen der Wicklungsanfangsbereich und der Wicklungsendbereich den unmittelbaren Beginn bzw. das unmittelbare Ende der Spulenwicklung dar. Diese Bereiche können gegebenenfalls zusätzlich durch die Verwendung eines Backlackdrahtes als Wickeldraht durch Verbacken mit der verbleibenden Wicklung mechanisch festgelegt werden.
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Als Drahtführungsbereich sollen an einem Schenkel ausgeführte Maßnahmen verstanden werden, welche den Wickeldraht bzw. die Spulenenden an einer vorbestimmten Position des Schenkels im Wesentlichen in dessen Bewegungsfreiheit einschränken und die Spulenenden zumindest in einer Richtung führen, wobei eine gewisse Spielfreiheit möglich sein kann. Selbstverständlich kann eine Einschränkung der Bewegungsfreiheit auch in zwei oder in allen drei unabhängigen Raumrichtungen gegeben sein. Der Spulendraht kann den ersten Drahtführungsbereich auch ohne eine Richtungsänderung passieren, was in Verbindung mit einer gewissen Spielfreiheit ein nahezu ungehindertes Durchtreten zu einer Spulenverschaltungsanordnung ermöglicht, an der die Spulenden festgelegt sind bzw. werden können.
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Gemäß der Erfindung zeichnet sich die Spule insbesondere dadurch aus, dass ein Spulenende zwischen dem Wicklungsanfangsbereich oder dem Wicklungsendbereich und dem ersten Drahtführungsbereich einen Freidrahtabschnitt aufweist, in welchem der Wickeldraht freitragend verlegt ist. Der grundlegende Gedanke ist darin zu sehen, den an der Spule ausgebildeten Spulenenden eine freie Bewegung, insbesondere eine freie Schwingung zu ermöglichen, anstatt diese wie im Stand der Technik offengelegt, über deren gesamte Länge an der Spule selbst festzulegen. Zum Beispiel bei infolge von betriebsbedingten Vibrationen auftretenden Bauteilverwindungen wird eine dadurch erzwungene Drahtverformung in einen vergleichsweise größeren Längenabschnitt eingeprägt, wodurch eine Verformung pro Längeneinheit geringer wird. Eine bisher wiederholt auftretende und schließlich zum Sprödbruch führende plastischen Verformung des Wickeldrahtes kann weitestgehend vermieden werden, indem der Wickeldraht zumindest überwiegend mechanisch in dessen elastischen Verformungsbereich belastet wird und dadurch zum Bruch führende Schädigungsmechanismen untergeordnet sind.
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Ein Spulenende kann auf direkten, das heißt etwa dem kürzestem Wege zwischen dem Wicklungsanfangsbereich und/oder dem Wicklungsendbereich und dem ersten Drahtführungsbereich unter Erzeugung einer gewissen Schwingungsfreiheit verlegt werden. In einer Weiterbildung kann mit Vorteil der Freidrahtabschnitt eine Länge aufweisen, welche größer ist als der Abstand von Wicklungsanfangsbereich oder Wicklungsendbereich und dem ersten Drahtführungsbereich. Dadurch können die pro Längeneinheit einwirkenden äußeren Kräfte noch weiter reduziert werden, wobei auch eine Eigenschwingungsfrequenz des Freidrahtabschnitts absinkt. Eine größere Länge der Spulenenden bewirkt demnach einen besseren Bewegungsausgleich gegenüber mechanischen Störeinflüssen.
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Mit weiterem Vorteil kann der Wickelkörper an dem, dem ersten Drahtführungsbereich gegenüberliegenden Schenkel einen zweiten Drahtführungsbereich aufweisen, an welchem der Wicklungsanfangsbereich und/oder der Wicklungsendbereich angeordnet sind/ist. Dieser zweite Drahtführungsbereich dient einerseits der Drahtumlenkung aus der Drahtwickelrichtung in Richtung des gegenüberliegenden Schenkels und bewirkt andererseits eine Zugentlastung des Wickeldrahtes am Wicklungsanfangsbereich und Wicklungsendbereich. Konstruktiv kann zu diesem Zweck beispielsweise ein Zapfen, ein Vorsprung, eine Umlenknut oder dergleichen an dem Schenkel ausgebildet sein. Der Freidrahtabschnitt erstreckt sich somit zwischen dem ersten Drahtführungsbereich und dem zweiten Drahtführungsbereich.
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Im Rahmen der hier grundsätzlich vorgeschlagenen Lösung kann der Freidrahtabschnitt eine etwa U-förmige Bucht aufweisen, welche beispielsweise etwa in einer Wickelebene der Spulenwicklung oder senkrecht zur Wickelebene ausgebildet sein kann. Durch die Ausbildung einer solchen Bucht ist auf einfache Weise eine erhebliche Verlängerung des Freidrahtabschnitts möglich. Diese Maßnahme kann insbesondere bei einer Spule angewandt werden, bei welcher der Wicklungsanfangsbereich und/oder der Wicklungsendbereich räumlich benachbart zu dem Schenkel mit dem ersten Drahtführungsbereich ausgebildet sind durch welchen der Wickeldraht die Spule verlässt.
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Gemäß einer zu der vorstehend erläuterten alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann der Freidrahtabschnitt zur Ermöglichung des Abbaus einer von extern eingeprägter Schwingungsenergie auch zumindest teilweise wendelförmig ausgebildet sein. Eine solche Ausführung kann insbesondere, jedoch nicht ausschließlich bei Spulen angewandt werden, bei welcher der Wicklungsanfangsbereich und/oder der Wicklungsendbereich räumlich entfernt zu dem Schenkel mit dem ersten Drahtführungsbereich ausgebildet ist durch welchen der Wickeldraht die Spule verlässt und wobei der Wickeldraht an dem anderen Schenkel mittels eines zweiten Drahtführungsbereichs geführt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1a, b zwei verschiedene Darstellungen von Einzelzahnspulen für einen Stator einer elektrischen Maschine mit zwei unter Ausbildung eines Freidrahtabschnittes an einem Schenkel eines Wickelkörpers festgelegten Spulenenden;
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2a–d verschiedene Darstellungen von Einzelzahnspulen für einen Stator einer elektrischen Maschine mit zwei unter Ausbildung eines Freidrahtabschnittes an zwei Schenkeln eines Wickelkörpers festgelegten Spulenenden.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten oder vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Darstellung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
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Die 1a, b und die 2a–d zeigen jeweils eine Spule 10, insbesondere zur Anordnung an Zähnen eines hier nicht dargestellten Stators einer elektrischen Maschine, beispielsweise für einen Stator einer permanent erregten Synchronmaschine.
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Die Spule 10 umfasst zwei stirnseitig, als Endkappen an einem Statorzahn anordbare Wickelkörper 20, 60 aus einem Kunststoff, welche jeweils einen Wickelbereich 22, 62 aufweisen. Der Wickelbereich 22, 62 ist durch einen zur Anlage an einem Statorzahn bestimmten Wickelträger 24, 64 und zwei den Wickelbereich 22, 62 begrenzende und mit dem Wickelträger 24, 64 verbundene Schenkel 30, 40; 70, 80 gebildet. Der Wickelkörper 20 entspricht soweit einem bereits bekannten Wickelkörper. Zwischen den Wickelkörpern 20, 60 ist beidseitig ein weiterer Wickelbereich 12a ausgebildet, der sich im montierten Zustand der Spule 10 am Stator an einem Statorzahn erstreckt.
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An den Wickelkörpern 20, 60 ist eine Drahtwicklung 82 bzw. Spulenwicklung 82 aus einem biegefähigen und relativ formstabilen Wickeldraht 82d, insbesondere einem Kupferlackdraht angeordnet. Die Drahtwicklung 82 nimmt somit den aus den Wickelbereichen 12a, 22 und 62 gebildeten Raum ein. Es ist zu erkennen, dass die Spule 10 zwei freie Spulenenden 82a, 82e bzw. Wicklungsenden 82a, 82e aufweist, die beide am Wickelkörper 20 und darüber hinaus auch gemeinsam am Schenkel 40 festgelegt bzw. dort geführt sind. Die Spulenenden 82a, 82e gehen von außen kommend betrachtet an der Spule 10 in einen Wicklungsanfangsbereich 84a und einem Wicklungsendbereich 84e über.
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Als Wicklungsanfangsbereich 84a bzw. als Wicklungsendbereich 84e soll derjenige Teil der Spulenwicklung 82 verstanden werden, an dem der Wickeldraht 82d in eine umlaufende gewundene Spulenwickelrichtung eintritt bzw. von der Spulenwickelrichtung austritt und dabei einer Richtungsänderung gegenüber dem umlaufend als Spule 10 gewickelten Draht 82d erfährt. Mit anderen Worten stellen der Wicklungsanfangsbereich 84a und der Wicklungsendbereich 84e den unmittelbaren Beginn bzw. das unmittelbare Ende der Spulenwicklung 82 dar.
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Zur Führung der Spulenenden 82a, e sind an dem Schenkel 40, hier nutförmig bzw. schlitzförmig ausgeführte erste Drahtführbereiche 42 vorgesehen, in welche der Wickeldraht 82d eingelegt, dort mit einem gewissen Spielraum an drei Seiten geführt wird und wobei der Spulendraht 82d ohne eine Richtungsänderung nahezu ungehindert in Richtung einer hier nicht dargestellten Spulenverschaltungsanordnung hindurchtreten kann.
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Mit der Bezugsziffer 42a ist ein Drahteinführbereich und mit der Bezugsziffer 42b ein Drahtausführbereich bezeichnet. Die Festlegung bzw. Führung der Wicklungsenden 82a, 82e dient einerseits dem Formerhalt der Drahtwicklung 82, andererseits sollen dadurch die freien Spulenenden bzw. Wicklungsenden 82a, 82e in einer vorbestimmten Weise räumlich ausgerichtet werden, um so für eine Verschaltung beispielweise durch Verschweißen, Verlöten, Verkrimpen oder ähnliche Verfahren an einem außerhalb der Spule 10 befindlichen Ort bereit zu stehen.
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Allen mit den 1a, b; 2a–d dargestellten Spulen 10 ist gemeinsam, dass die Spulenenden 82a, 82e zwischen dem Wicklungsanfangsbereich 84a bzw. dem Wicklungsendbereich 84e und dem ersten Drahtführungsbereich 42, also dem Drahteinführbereich 42a und dem Drahtausführbereich 42b einen Freidrahtabschnitt 86a–m aufweisen, in welchem der Wickeldraht 82d freitragend verlegt ist. Durch diese Freidrahtabschnitte 86 können sich die Spulenenden 82a, 82e unter dem Einfluss von externen Vibrationen frei bewegen und damit eine eingetragene Energie zerstörungsfrei abbauen.
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In allen zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen weist der Freidrahtabschnitt 86 zudem eine Länge auf, welche größer ist als der Abstand von Wicklungsanfangsbereich 84a bzw. dem Wicklungsendbereich 84e und dem ersten Drahtführungsbereich 42. In den 1a und 1b weisen die Freidrahtabschnitte 86a–d zusätzlich jeweils eine U-förmige Bucht 88 auf, welche in 1a etwa in der Wickelebene der Spulenwicklung 82 und in 1b senkrecht zur Wickelebene ausgebildet ist. Als Wickelebene ist dabei die durch einen Umlauf des Wickeldrahtes 82d an der Spulenwicklung 82 definierte Ebene zu verstehen. In den mit den 1a, b dargestellten Spulen 10 sind der Wicklungsanfangsbereich 84a und der Wicklungsendbereich 84b räumlich benachbart zu dem Schenkel 40 mit dem ersten Drahtführungsbereich 42 ausgebildet durch welchen der Wickeldraht 82d die Spule 10 verlässt.
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In den mit den 2a–d dargestellten Ausführungsbeispielen weist der Wickelkörper 20 an dem, dem ersten Drahtführungsbereich 42 gegenüberliegenden Schenkel 30 einen zweiten Drahtführungsbereich 44; 44a, b auf, an welchem der Wicklungsanfangsbereich 84a und der Wicklungsendbereich 84e angeordnet sind. Dieser zweite Drahtführungsbereich 44 dient einerseits der Drahtumlenkung aus der Drahtwickelrichtung in Richtung des gegenüberliegenden Schenkels 40 und bewirkt andererseits eine Zugentlastung des Wickeldrahtes 82d am Wicklungsanfangsbereich 84a und am Wicklungsendbereich 84e. Zu diesem Zweck umfasst der zweite Drahtführungsbereich 44 in 2a zwei vom Schenkel 30 vorstehende Zapfen 45a, b und in den 2b–d jeweils vorstehende Haken 46a, b. Die Freidrahtabschnitte 86e–m erstrecken sich somit jeweils zwischen dem ersten Drahtführungsbereich 42 und dem zweiten Drahtführungsbereich 44.
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Während die Freidrahtabschnitte 86e, f in 2a auf dem kürzestem Wege zwischen den Drahtführungsbereichen 42 und 44 verlaufen, weisen die Freidrahtabschnitte 86g, h in 2b eine Bucht 88 auf, insbesondere eine aufgeweitete U-förmige Bucht, die vorliegend etwa senkrecht zur Wickelebene der Spulenwicklung 82 ausgebildet ist.
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In den mit den 2c und 2d dargestellten Spulen 10 weisen die Freidrahtabschnitte 86i, k; 86l, m zur Ermöglichung des Abbaus von extern eingeprägten Schwingungen wendelförmige Bereiche 90, 92 mit unterschiedlicher Orientierung am Wickelkörper 20 auf. Dabei sind in 2c die Bereiche 90 einfach gewendelt und mit einer senkrecht zur Wickelebene der Spule 10 angeordneten Wendelebene ausgebildet. Die Bereiche 92 in 2d sind mehrfach gewendelt, wobei deren Wendelebene etwa mit der Wickelebene der Spule 10 zusammenfällt. Als Wendelebene soll in diesem Zusammenhang eine sich bei einem Umlauf des Wickeldrahts 82d ergebende mittlere Ebene verstanden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spule
- 12a
- Wickelbereich
- 20
- Wickelkörper
- 22
- Wickelbereich
- 62
- Wickelbereich
- 24
- Wickelträger
- 30
- Schenkel
- 40
- Schenkel
- 42
- erster Drahtführungsbereich
- 42a
- Drahteinführbereich
- 42b
- Drahtausführbereich
- 44, a, d
- zweiter Drahtführungsbereich
- 45a, b
- Zapfen
- 46a, b
- Haken
- 60
- Wickelkörper
- 64
- Wickelträger
- 70
- Schenkel
- 80
- Schenkel
- 82
- Drahtwicklung
- 82a, e
- Spulenende, Wicklungsende
- 82d
- Wickeldraht
- 84a
- Wicklungsanfangsbereich
- 84e
- Wicklungsendbereich
- 86a–m
- Freidrahtabschnitt
- 88
- Bucht
- 90, 92
- wendelförmiger Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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