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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stator einer elektrischen Maschine mit einer Verschaltungseinrichtung für Statorspulen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der
EP 1 184 957 B1 ist ein gattungsgemäßer Stator bekannt, bei dem eine Verschaltungseinrichtung mit mehreren axial gestaffelten konzentrischen Verbindungsleitern axial benachbart zu einer Mehrzahl von ringkreisförmig am Stator festgelegten Statorspulen angeordnet und an den Wickelkörpern dieser Statorspulen befestigt ist. Die Spulenenden treten dabei axial aus den Spulen aus und sind mit Anschlussbereichen verschaltet, welche jeweils von den Verbindungsleitern an einen radial äußeren Umfangsbereich der Verschaltungseinrichtung abstehen bzw. herausgeführt sind.
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Durch die unmittelbare Festlegung der Verschaltungsanordnung an den Statorspulen, insbesondere an deren Wickelkörpern wird beim Verschalten bzw. Kontaktieren der Spulenenden mit den Verbindungsleitern eine auftretende Kontaktierkraft direkt auf den Verbindungsbereich und auf die Spulen weitergeleitet. Dadurch können die Spulen unerwünscht belastet und die gesamte Anordnung verformt werden, wodurch auch eine dauerhafte Schädigung der Verschaltungseinrichtung und der Spulen bereits bei der Herstellung des Stators hervorgerufen werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt von dem genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Stator einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art und eine elektrische Maschine mit einer montagesicheren und leicht zu montierenden Verschaltungseinrichtung für die Statorspulen bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Stator mit Merkmalen des Patentanspruchs 1 und weiter durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen von Patentanspruch 10 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt ein Stator einer elektrischen Maschine vorgeschlagen mit einem ringförmigen Statorblechpaket, welches an einem Statorträger festgelegt ist und an dem eine Anzahl von Statorspulen angeordnet ist und wobei die Spulenenden axial vom Statorblechpaket abstehen. Der Stator umfasst stirnseitig am Statorblechpaket eine Verschaltungseinrichtung für die Statorspulen, welche mehrere koaxial zueinander angeordnete und gegenseitig isolierte Verbindungsleiter aufweist, die axial benachbart zu den Statorspulen angeordnet sind und wobei die Verbindungsleiter Spulenanschlussbereiche für die Spulenenden und Leistungsanschlussbereiche zur Stromversorgung der elektrischen Maschine umfassen.
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Der vorgeschlagene Stator zeichnet sich dadurch aus, dass die Verschaltungseinrichtung außerhalb der Statorspulen und somit an dem Statorträger und/oder an einem mit diesem fest verbundenen Bauteil angeordnet und axial abgestützt ist. Auf diese Weise können auf die Verschaltungseinrichtung einwirkende Kräfte, insbesondere Kontaktierkräfte von den Spulen selbst ferngehalten und auf den Statorträger und/oder andere Bauteile abgeleitet werden.
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Mit Vorteil können die Spulenanschlussbereiche stirnseitig an der Verschaltungseinrichtung ausgebildet sein, wodurch ein ausreichender Raum zum Eingriff eines Montagewerkzeugs gegeben ist. Die Spulenenden können dadurch insbesondere unter Einwirkung einer zum Statorblechpaket gerichteten axialen Kontaktierkraft verbunden werden.
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Mit noch weiterem Vorteil kann die Verschaltungseinrichtung zur Anordnung der Verbindungsleiter ein Kunststoffträgerelement und ein dieses verstärkendes metallisches Verstärkungselement aufweisen, insbesondere ein Blechelement umfassen, welches sich zur Aufnahme von Kontaktierkräften in radialer Richtung über die Spulenanschlussbereiche der Verbindungsleiter erstreckt.
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Weitergehen können das Verstärkungselement und das Kunststoffträgerelement beispielsweise als ein gemeinsames Hybridbauteil ausgeführt sein und zum Beispiel durch ein Gussverfahren hergestellt werden. Das Verstärkungselement kann somit axial beidseitig von Kunststoff umgeben sein. Alternativ können das Verstärkungselement und das Kunststoffträgerelement auch mittels einer unlösbaren Verbindung, insbesondere einer Nietverbindung oder dergleichen miteinander verbunden werden. Noch weitergehender kann das Verstärkungselement dabei axial zwischen den Statorspulen und den Verbindungsleitern angeordnet sein.
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Die Festlegung bzw. die Befestigung und die axiale Abstützung der Verschaltungseinrichtung an dem Statorträger oder an einem mit diesem fest verbundenen Bauteil kann vorteilhafterweise durch das Verstärkungselement und insbesondere mittels eines am Verstärkungselement vorgesehenen axialen Verbindungsabschnittes erfolgen.
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In weiterer Ausgestaltung des Stators kann zwischen der Verschaltungseinrichtung und den Spulen ein Axialspalt ausgebildet sein, der in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung den Durchtritt eines mit den Spulen in Wärmeübergang stehenden Kühlmittels, insbesondere einer Luftströmung oder eines Kühlfluids, erlaubt. Außerdem wird dadurch beim Verschalten der Spulenenden ein Bewegungsspielraum zur Aufnahme einer Verformung beim Kontaktieren geschaffen.
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Gemäß einer fertigungstechnisch günstigen Variante können sowohl das Verstärkungselement und der Statorträger als Blechteile ausgeführt werden und mittels einer betriebssicheren unlösbaren Verbindung, insbesondere mittels einer Nietverbindung miteinander verbunden werden. Ein solcher Stator stellt eine robuste vorgefertigte Baueinheit dar, welche dann in einem Gehäuse der elektrischen Maschine, zum Beispiel in einem Getriebegehäuse eines Kraftfahrzeugs eingesetzt und montiert werden kann. Der Statorträger kann vorzugsweise als ein zylinderförmiges Blechelement und das Verstärkungselement als ein im Wesentlichen scheibenförmiger Körper ausgebildet sein, wobei von dem letzteren zur gegenseitigen Verbindung der Teile bereichsweise am Innen- oder am Außenumfang mehrere Ausklinkungen als Verbindungsbereiche ausgebildet sind. Die verbleibenden Zwischenräume können Verbindungsbereiche zur Verbindung mit dem Kunststoffträgerelement ausbilden.
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Bei dem vorgeschlagenen Stator können die Spulen mit Vorteil mittels Wickelkörpern an dem Statorblechpaket festgelegt werden, wobei insbesondere ein Wickelkörper einen Wickelbereich aufweist, der durch einen Wickelträger und zwei den Wickelbereich in axialer Richtung begrenzende und mit dem Wickelträger verbundene Schenkel gebildet ist. Zur Minimierung von betriebsbedingten Vibrationen bzw. Verlagerungen der Spulenenden gegenüber der Verschaltungseinrichtung können diese mit weiterem Vorteil an einem räumlich radial zu dem Verbindungsabschnitt des Verstärkungselements benachbarten oder nächstliegenden Schenkel zur Verschaltungseinrichtung herausgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft in weiterer Hinsicht eine elektrische Maschine mit einem Rotor und mit einem Stator, wobei der Stator zumindest ein vorstehend erläutertes Merkmal aufweist.
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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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1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einer Verschaltungseinrichtung;
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2 eine perspektivische Darstellung des Stators von 1 mit der Verschaltungseinrichtung;
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3 eine stirnseitige Ansicht des Stators von 2;
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4a eine Axialschnittdarstellung des Stators von 3 im Bereich von in die Verschaltungseinrichtung eintretenden Spulenenden;
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4b eine weitere Axialschnittdarstellung des Stators von 3 in einem Verbindungsbereich eines Verstärkungselements mit einem Kunststoffträgerelement der Verschaltungseinrichtung.
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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. Um Wiederholungen zu vermeiden wird auf eine mehrfache Beschreibung identischer Gegenstände, Funktionseinheiten oder vergleichbarer Komponenten in verschiedenen Ausführungsbeispielen verzichtet und es werden diesbezüglich lediglich Unterschiede der Ausführungsbeispiele beschrieben.
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 10, genauer eine permanenterregte elektrische Synchronmaschine in Innenläuferbauart, mit einem um eine Rotorwelle 12 mit einer Drehachse A drehbaren Rotor 14 und mit einem diesen radial außen umgebenden Stator 16. Der Rotor 14 umfasst einen topfförmigen Rotorträger 18, auf dessen zylindrischen Außenumfangsfläche ein lamelliertes Rotorblechpaket 20 angeordnet ist, welches eine Mehrzahl am Umfang gegenseitig beabstandeter Permanentmagnete 22 trägt.
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Der Stator 16 umfasst einen ringförmigen und hier als zylindrischen Blechkörper vorliegenden Statorträger 24, in dessen Zentralausnehmung ein ebenfalls aus Blechlamellen gebildetes ringförmiges Statorblechpaket 26 angeordnet ist. Die Drehachse A bildet somit zugleich die Mittelachse A des Stators. Der Statorträger 24 kann beispielsweise ein Außen- oder ein Zwischengehäuse der elektrischen Maschine 10 darstellen oder zum Einbau in ein solches vorgesehen sein. Ein auf den Stator 16 wirkendes Drehmoment wird über eine Formschlussverbindung des Statorträgers 24 mit dem jeweiligen Verbindungspartner aufgenommen, wozu am Statorträger mehrere am Umfang verteilte Ausnehmungen 24b zur Aufnahme von hier nicht dargestellten Eingriffsabschnitten des Verbindungspartners vorgesehen sind.
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Das Statorblechpaket 26 umfasst ein an dem Statorträger 24 anliegendes ringförmiges Statorjoch 30 und von diesem nach radial innen abstehende Zähne 32, welche zur Bildung einer Statorwicklung mit Statorspulen 36 bestückt ist. Diese Statorspulen 36 sind mit Hilfe von zwei, aus einem wärmebeständigen Kunststoff bestehenden Isolier- bzw. Wickelkörpern 40, 42 aus einem Kupferdraht um die Zähne 32 gewickelt und sind dort gegen Verrutschen gesichert. Die Wickelkörper 40, 42 umfassen jeweils einen stirnseitig am Blechpaket 26 anliegenden Basisbereich bzw. Wickelträger 40a; 42a und zwei davon etwa rechtwinklig und am Stator 16 axial abragende Schenkel 40b, c; 42b, c, die einen Wickelbereich 43 in radialer Richtung begrenzen.
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Die Spulen 36 sind elektrisch einzelnen Strängen zugeordnet, wozu die Spulenenden 36a, b mittels einer in 1 nur schematisch als Block dargestellten Verschaltungseinrichtung 38 in einer vorbestimmten Art und Weise miteinander verschaltet sind.
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Wie aus den nachfolgenden 2–4 ersichtlich, umfasst die Verschaltungseinrichtung 38 zu diesem Zweck ein aus Kunststoff ausgeführtes Trägerelement 58, in welchem mehrere gegenseitig isolierte Verbindungsleiter 52, 54, 56 angeordnet sind. Die Verbindungsleiter 52, 54, 56 weisen zur Kontaktierung mit den Spulenenden 36a, b an der vom Stator 16 abgewandten Stirnseite umfangsmäßig beabstandete Spulenanschlussbereiche 521; 541, 561 auf. Die Verschaltungseinrichtung 38 ist bei dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel räumlich axial außerhalb der Statorspulen 36 positioniert und an dem Statorträger 24 befestigt und dort auch axial abgestützt. Alternativ oder gemeinsam mit diesem kann eine Festlegung und Abstützung auch an einem mit dem Statorträger 24 fest verbundenen Bauteil erfolgen, beispielsweise an dem Statorblechpaket 26.
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Die Verschaltungseinrichtung 38 ist mit Blick auf 1 über Leistungsanschlussbereiche 52c, 54c, 56c der Verbindungsleiter 52, 54, 56 mittels Anschlussleitern 52d, 54d, 56d mit einer Leistungselektronik 39a und einer Ansteuerelektronik 39b mit einer elektrischen Energiequelle 39c verbunden, welche zum Betreiben der elektrischen Maschine 10 die Wicklung mit einem Strom variabler Phase und Amplitude beaufschlagen kann.
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Vorliegend sind die Verbindungsleiter 52, 54, 56 aus einem Kupfer-Halbzeug, insbesondere aus einer Kupferplatte oder einem Kupferblech mittels eines Stanzprozesses als Ringstreifen oder Ringbänder hergestellt. Die Ringstreifen sind am Stator 16 koaxial zur Mittelachse A angeordnet und radial zueinander gestapelt.
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Die Verbindungsleiter 52, 54, 56 sind in dem erläuterten Ausführungsbeispiel bis auf die Spulenanschlussbereiche 521, 541; 561 etwa vollständig in die Kunststoffmatrix des Trägerelements 58 eingegossen. Die Spulenanschlussbereiche 521, 541; 561 sind als axial hervorgehobene Bereiche stirnseitig an den ringscheibenförmigen Verbindungsleitern 52, 54, 56 ausgebildet und stehen somit aus der Kunststoffmatrix heraus. Dazu korrespondierend stehen an den Umfangspositionen der Spulenanschlussbereiche 521, 541; 561 radial benachbarte und vor deren Verschaltung zunächst axial ausgerichtete Spulenenden 36a, b von den Spulen 36 ab, welche an der Verschaltungseinrichtung 38 radial in Richtung der Spulenanschlussbereiche 521, 541; 561 abgebogen sind und diese zur Verschaltung kreuzen bzw. dort aufliegen. Weiterhin sind die Spulenanschlussbereiche 521, 541, 561 aller Verbindungsleiter 52, 54, 56 im Wesentlichen innerhalb einer gemeinsamen Radialebene, das heißt auf derselben Axialhöhe angeordnet.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Verschaltung der Spulenenden 36a, b zur Realisierung einer Dreieckschaltung mit jeweils drei Verbindungsleitern 52, 54, 56 dargestellt. Weiterhin sind jeweils zwei benachbarte Spulenenden 36a, b von zwei am Umfang benachbarten Spulen 36 mit jeweils einem Spulenanschlussbereich 521, 541, 561 eines der Verbindungleiter 52, 54, 56 verbunden.
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Die Kontaktierung der Spulenenden 36a, b mit den Verbindungsleitern 52, 54, 56 erfolgt stoffschlüssig, insbesondere durch Hartlöten, wobei pro Kontaktierung eine hauptsächlich in axialer Richtung zu den Spulen gerichteten Kraft von etwa 500N auf die Spulenanschlussbereiche einwirkt. Zur Abstützung dieser Kontaktierkraft und aus fertigungstechnischen Gründen ist das Kunststoffträgerelement 58 mit einem ringscheibenförmigen metallischen Verstärkungselement 60, insbesondere einem Blechelement ausgebildet, welches sich in radialer Richtung über die Spulenanschlussbereiche 52a–56a der Verbindungsleiter 52–56 erstreckt.
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Das Verstärkungselement 60 und das Kunststoffträgerelement 58 sind im radial äußeren Bereich des Kunststoffträgerelements 58 mittels mehrerer Nietverbindungen 62 unlösbar miteinander verbunden. Zur Festlegung der Verschaltungseinrichtung 38 an dem blechförmigen Statorträger 24 sind im radial äußeren Bereich des blechförmigen Verstärkungselements 60 mehrere axiale Verbindungsabschnitte 60a, insbesondere axiale Ausklinkungen mit radial abstehenden Endbereichen 60b vorgesehen. Diese Endbereiche 60b sind ebenso mittels einer unlösbaren Verbindung 64, insbesondere mittels mehrerer Nietverbindungen mit einem am Statorträger 24 vorgesehenen Radialkragen 24a verbunden.
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In den 4a, b ist zudem erkennbar, dass das Verstärkungselement 60 axial zwischen den Statorspulen 36 und den Verbindungsleitern 52–56 angeordnet ist und dass zwischen der Verschaltungseinrichtung 38 und den Spulen 36 ein Axialspalt 66, insbesondere ein Ringraum ausgebildet ist, durch den zur Kühlung der Wickelbereiche 43 ein Kühlmedium strömen kann. Es ist ferner sichtbar, dass die Spulenenden 36a, b an dem räumlich radial zu dem Verbindungsabschnitt 60a benachbarten radial außenliegenden Schenkel 40 des Wickelkörpers 40 zur Verschaltungseinrichtung 38 herausgeführt sind. Zu diesem Zweck sind in dem Verstärkungselement 60 und in dem Kunststoffträgerelement 58 Durchgänge 60c; 58a ausgebildet.
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Zum Schutz der gegenseitigen Kontaktstellen der Spulenanschlussbereiche und der Spulenenden kann der Stator der elektrischen Maschine zumindest im Bereich der Verschaltungseinrichtung mit einer Beschichtung, zum Beispiel einer Pulverbeschichtung, einer Lackierung oder mit einem Silikonüberzug versehen werden.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf Statoren von permanenterregten elektrischen Maschinen beschränkt, sondern kann über das erläuterte Ausführungsbeispiel hinausgehend auf andere Arten von elektrischen Maschinen bzw. deren Statoren übertragen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Rotorwelle
- 14
- Rotor
- 16
- Stator
- 18
- Rotorträger
- 20
- Rotorblechpaket
- 22
- Magnet
- 24
- Statorträger
- 24a
- Radialkragen
- 24b
- Ausnehmung
- 26
- Statorblechpaket
- 30
- Statorjoch
- 32
- Zahn
- 36
- Statorspule
- 36a, b
- Spulenende
- 38
- Verschaltungseinrichtung
- 39a
- Leistungselektronik
- 39b
- Ansteuerelektronik
- 39c
- Energiequelle
- 40, 42
- Wickelkörper
- 40a, 42a
- Wickelträger
- 40b, c
- Schenkel
- 42b, c
- Schenkel
- 43
- Wickelbereich
- 52, 54, 56
- Verbindungsleiter
- 52a
- Spulenanschlussbereich
- 54a
- Spulenanschlussbereich
- 56a
- Spulenanschlussbereich
- 52c
- Leistungsanschlussbereich
- 54c
- Leistungsanschlussbereich
- 56c
- Leistungsanschlussbereich
- 52d
- Anschlussleiter
- 54d
- Anschlussleiter
- 56d
- Anschlussleiter
- 58
- Kunststoffträgerelement
- 58a
- Durchgang
- 60
- Verstärkungselement
- 60a
- Verbindungsabschnitt
- 60b
- Endbereich
- 60c
- Durchgang
- 62, 64
- Verbindung
- 66
- Axialspalt
- A
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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