DE102016210927A1

DE102016210927A1 - Stator für eine elektrische Maschine mit einer Verschaltungseinheit zum Anschließen von Phasenleitern, elektrische Maschine und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102016210927A1
Application number: DE102016210927.8A
Authority: DE
Inventors: Holger Fröhlich; Frank ELTNER; Johannes Kohlstrunk; Robert Krause; Tassilo Gellermann
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (11) für eine elektrische Maschine (10), mit an einer Stirnseite (14) eines Blechpakets (12) ringförmig angeordneten Wicklungsköpfen (15) elektrischer Wicklungen (13) und mit einer Verschaltungseinheit (23) zum elektrischen Verbinden von Wicklungsenden (22) der Wicklungen (13) mit elektrischen Phasenleitern (18) einer Spannungsquelle (19). Die Erfindung sieht vor, dass die Verschaltungseinheit (24) einen Trägerring (24) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, welcher mittels Fixiermitteln (34) radial außenliegend um die Wicklungsköpfe (15) angeordnet ist und durch welchen ein jeweiliges elektrisch leitfähiges Anschlusselement (25) zum Anschließen einer der Phasenleiter (18) gehalten ist und in welchem ein die ringförmig angeordneten Wicklungsköpfe (15) zumindest größtenteils umgebendes und die Wicklungen (13) elektrisch verbindendes Brückenteil (26) zumindest teilweise angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, der an einer Stirnseite eines Blechpakets Wicklungsköpfe von elektrischen Wicklungen aufweist. Um Wicklungsenden der Wicklungen mit elektrischen Phasenleitern einer Spannungsquelle verbinden zu können, ist eine Verschaltungseinheit bereitgestellt. Zu der Erfindung gehört auch eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Stator. Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen des Stators.
Ein Stator der genannten Art ist zum Beispiel aus der DE 10 2004 036 368 A1 bekannt. Danach sind an Enden der Wicklungen eines Stators Schaltringe und ein Sternpunktring angeordnet, die mit Strangenden von Strängen der Wicklungen elektrisch verbunden sind. Eine solche Anordnung weist den Nachteil auf, dass die Lötverbindungen oder Schweißverbindungen im Betrieb des Stators aufgrund von Vibrationen brechen können. Insbesondere ringförmige Bauteile, wie die beschriebenen Schaltringe und Sternpunktringe neigen dazu, bei Anregung durch Vibrationen mechanisch zu schwingen.
Aus der WO 2007/088085 A1 ist ein Schwingungsdämpfsystem für Statorwicklungen bekannt, das ein Stützbauteil für einen Wickelkopf aufweist. Der Stützbauteil ist mit Dämpfungselementen ausgestattet, wie zum Beispiel Massen oder Federn oder Schraubverspannungen, die das Stützbauteil mit dem Statorgehäuse verbinden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach herzustellende und zu montierende Verschaltungseinheit für elektrische Wicklungen eines Stators bereitzustellen, welche die schwingungstechnischen Probleme, welche bedingt durch die Montage und Kontaktierung der Verbindungseinheit entstehen, vermeidet.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Durch die Erfindung ist ein Stator für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Der Stator weist an einer Stirnseite eines Blechpakets ringförmig angeordnete Wickelköpfe oder Wicklungsköpfe elektrischer Wicklungen auf. Das Blechpaket kann in an sich bekannter Weise aus elektrisch gegeneinander isolierten weichmagnetischen Blechen (Koerzitivfeldstärke < 1000 Ampere/Meter) gebildet sein. Solche Bleche werden auch als Elektrobleche bezeichnet. Des Weiteren ist eine Verbindungseinrichtung oder Verschaltungseinheit zum elektrischen Verbinden oder Verschalten von Wicklungsenden der Wicklungen mit elektrischen Phasenleitern einer Spannungsquelle bereitgestellt. Ein Beispiel für die besagte Spannungsquelle ist ein Stromrichter oder Wechselrichter. Die Wicklungsenden können z.B. als Drahtenden aus den Wicklungsköpfen herausstehen.
Um die Verschaltungseinheit mit geringem Aufwand montieren zu können und dann eine gegen Vibrationen geschützte mechanische Verbindung zwischen der Verschaltungseinheit und den Wicklungsenden der Wicklungen zu erhalten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verschaltungseinheit einen Trägerring aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist. Der Trägerring kann z.B. aus Kunststoff gefertigt sein. Es kann sich um ein Spritzgussteil handeln. Der Trägerring ist mittels Fixiermitteln radial außenliegend um die Wicklungsköpfe angeordnet. Es sitzt also mit anderen Worten rüttelfest und/oder spaltfrei und/oder unbeweglich außen um die Wicklungsköpfe herum fest angeordnet. Durch den Trägerring ist zum Anschließen jeder der besagten Phasenleiter ein jeweiliges elektrisches leitfähiges Anschlusselement gehalten. Ein solches Anschlusselement kann zum Beispiel ein gestanztes und/oder geformtes elektrisch leitfähiges Blech sein. Jedes Anschlusselement ist dabei in seiner relativen Lage bezüglich der Wicklungsenden durch den Trägerring fixiert, so dass es nicht bei Vibrationen federnd an zum Beispiel Schweißverbindungen der Wicklungsenden hin und her schwingt oder wippt. Des Weiteren ist in den Trägerring ein die ringförmig angeordneten Wicklungsköpfe zumindest größtenteils umgebendes und die Wicklungen elektrisch verbindendes Brückenteil angeordnet. Durch das Brückenteil kann eine Sternpunktschaltung gebildet sein. Dieses Brückenteil bildet also zumindest einen Halbring oder Halbkreis. Hierdurch neigt es besonders dazu, bei einer mechanischen Anregung durch Vibrationen zu schwingen. Indem nun dieses Brückenteil in dem Trägerring angeordnet ist, kann es nicht mehr eigenständig schwingen, sondern wird durch Innenwandungen des Trägerrings mechanisch gestützt oder stabilisiert. Das Brückenteil kann hierbei ganz oder teilweise in dem Trägerring eingesteckt oder angeordnet sein.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die im Betrieb des Stators aufgrund von mechanischen Schwingungen federnden oder wippenden elektrisch leitfähigen Elemente, nämlich die Anschlusselemente für die Phasenleiter sowie das Brückenteil zum Bilden eines Sternpunkts, durch den Trägerring mechanisch bezüglich der Wicklungsköpfe fixiert oder gehalten sind, sodass eine Relativbewegung zwischen den Anschlusselementen beziehungsweise dem Brückenteil einerseits und den Wicklungsenden der Wicklungen andererseits verhindert oder zumindest reduziert ist im Vergleich zu einer Anordnung ohne den Trägerring. Somit ist vermieden, dass zum Beispiel Schweißstellen oder Lötstellen, über welche die Wicklungsenden mit den Anschlusselementen und dem Brückenteil elektrisch und mechanisch verbunden sind, aufgrund von Vibrationen aufbrechen.
Zu der Erfindung gehören auch vorteilhafte Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Das Brückenteil und die Anschlusselemente sind bevorzugt aus einer gemeinsamen Richtung auf den Trägerring axial aufgesteckt oder aufgelegt. Mit axialer Richtung ist eine Richtung gemeint, die sich aus der Erstreckungsrichtung der bestimmungsgemäßen Rotationsachse eines Rotors ergibt, der in dem Stator in bekannter Weise angeordnet und betrieben werden kann. Indem die Anschlusselemente und das Brückenteil aus einer gemeinsamen Richtung auf den Trägerring aufgesteckt oder aufgelegt werden können, ergibt sich der Vorteil, dass die Montage der Verschaltungseinheit selbst und das Anordnen der Verschaltungseinheit an den Wicklungsköpfen automatisiert durchgeführt werden kann. Beispielsweise können die benötigten Verarbeitungsschritte durch einen Roboter durchgeführt werden, der hierzu lediglich Bewegungen entlang der beschriebenen axialen Richtung ausführen können muss.
Um eine Steckverbindung zwischen dem Trägerring und dem Brückenteil ermöglichen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Trägerring eine in Umfangsrichtung entlang der Wicklungsköpfe verlaufende und in axialer Richtung offene Nut aufweist, in welche das Brückenteil eingesteckt ist. Mit Umfangsrichtung ist die Richtung entlang des Umfangs des Stators gemeint, die der Drehrichtung des besagten Rotors entspricht. Indem das Brückenteil in einer Nut eingesteckt ist, die entlang des Umfangs verläuft, wird das Brückenteil auch gleichmäßig und entlang des Umfangs durch Innenwandungen der Nut bei Vibrationen vollständig durch den Trägerring gestützt und/oder gehalten und/oder es werden Schwingungen des Brückenteils gedämpft.
Der Trägerring ist bevorzugt aus einem Kunststoff, insbesondere einem elastischen Kunststoff, um hierdurch Klemmverbindungen oder einen Kraftschluss zwischen dem Brückenteil und dem Trägerring bereitstellen zu können.
Für das elektrische Verbinden der Anschlusselemente mit den Wicklungsenden der Wicklungen an den Wicklungsköpfen ist bevorzugt vorgesehen, dass jedes Anschlusselement jeweils zumindest eine Anschlussfahne für jeweils ein Wicklungsende aufweist. Die Anschlussfahne ragt dabei entweder radial nach innen zu dem Wicklungsende hin. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass sich pro Anschlusselement zumindest ein Wicklungsende radial nach außen zu einem Anschlussbereich des Anschlusselements hin erstreckt, also Anschlussdrähte der Wicklungen radial nach außen verlaufend ausgerichtet sind. Die radiale Richtung ist die Richtung senkrecht zu der axialen Richtung oder Rotationsachse – und zwar jeweils gerichtet auf das Wicklungsende bzw. den Anschlussbereich. Durch die beschriebene Anschlussfahne bzw. das radial nach außen gerichtete Wicklungsende ergibt sich jeweils der Vorteil, dass nach dem Aufstecken der Anschlusselemente die Wicklungsenden und die Anschlussfahnen bzw. die Anschlussbereiche bereits derart nah zusammen angeordnet sein können, dass sie unmittelbar, z.B. ohne weiteres Umbiegen, miteinander verschweißt oder verlötet werden können. Somit ist nach dem Schritt des Aufsetzens der Anschlusselemente direkt das Verschweißen oder Verlöten mit den Wicklungsenden möglich. Es ist kein zusätzlicher Schritt des Ausrichtens nötig.
Insbesondere werden die Anschlusselemente mit den jeweiligen Wicklungsenden durch Verschweißen stoffschlüssig verbunden. Dies kann nämlich ohne Verwendung eines zusätzlichen Lots erreicht werden. Das Verschweißen erfolgt bevorzugt mittels Laserschweißens, dass bevorzugt robotergestützt durchgeführt wird. Eine stoffschlüssige Schweißverbindung ist hierbei vor Bruch bei Vibrationen durch den Trägerring geschützt.
Um eine Anschlusseinheit mit besonders geringem Materialverschnitt herstellen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass jedes Anschlusselement jeweils aus einer Platte durch Schlitzen und Biegen gefertigt ist. Die besagten Anschlussfahnen werden also nicht durch Ausschneiden oder Ausstanzen gebildet, sondern es wird an einer Platte für jede Anschlussfahne jeweils ein Schlitz vorgesehen, der dann die Anschlussfahne als einen durch den Schlitz abgetrennten Streifen bereitstellt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass jedes Anschlusselement und/oder das Brückenteil jeweils als Stanzbiegeteil einstückig und/oder materialhomogen aus Blech gefertigt ist. Die Schwingungsneigung dieser Bauteile wird dann mittels des Trägerrings unterdrückt.
Der Trägerring weist für jedes Anschlusselement bevorzugt einen sich radial nach außen erstreckenden Auflagebereich zum Auflegen des Anschlusselements auf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein elektrisch leitfähiger Querschnitt des Anschlusselements, über welchen elektrischer Strom zwischen den Phasenleitern einerseits und den Wicklungsenden andererseits übertragen wird, in der benötigten Größe bereitgestellt werden kann, da der hieraus resultierende Blechquerschnitt auf dem jeweiligen Auflagebereich aufgelegt und damit gegenüber Vibrationen gestützt werden kann.
Um den Trägerring selbst an den Wicklungsköpfen zu fixieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass als Fixiermittel ein zwischen dem Trägerring und den Wicklungsköpfen angeordnetes Füllmaterial bereitgestellt ist, welches einen Zwischenraum zwischen dem Trägerring und den Wicklungsköpfen entlang eines Umfangs des Trägerrings ausfüllt. Das Ausfüllen meint insbesondere ein Ausfüllen eines Zwischenraums zwischen dem Trägerring und den Wicklungsköpfen in radialer Richtung. Somit ist entlang des Umfangs eine lückenlose Stützung des Trägerrings an den Wicklungsköpfen durch radial stützendes Füllmaterial gewährleistet.
Bevorzugt enthalten die Fixiermittel ein Quellmaterial, das mit einem Polymer getränkt ist. Im Quellmaterial stellt eine Matrix zum Tränken mit dem Polymer dar. Es kann zum Beispiel ein Gewirke oder Gewebe oder Schaum enthalten oder sein. Es können zum Beispiel keramische Fasern oder ein Kunststoff vorgesehen sein. Als Polymer zum Tränken des Quellmaterials kann zum Beispiel ein Kunstharz vorgesehen sein. Durch Tränken des Quellmaterials mit dem Polymer quillt das Quellmaterial auf und sorgt somit zuverlässig für eine lückenlose oder spaltlose Anordnung der Fixiermittel zwischen dem Trägerring und den Wicklungsköpfen. Bevorzugt wird sogar eine mechanische Spannung oder ein mechanischer Druck durch das Quellmaterial aufgebaut.
Die Fixiermittel können auch Glimmer enthalten, um hierdurch eine elektrische Durchschlagsfestigkeit der Fixiermittel zwischen den Wicklungsköpfen und dem Trägerring zu gewährleisten.
Wie bereits ausgeführt, gehört zu der Erfindung auch eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators auf. Sie kann zum Beispiel als Asynchronmaschine oder Synchronmaschine ausgestaltet sein. Bevorzugt ist die elektrische Maschine als elektrischer Generator für ein Kraftfahrzeug ausgestaltet, d.h. als sogenannte Lichtmaschine. Bei der elektrischen Maschine kann es sich auch um einen elektrischen Starter oder Starter-Generator für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs handeln. Die elektrische Maschine kann auch als elektrischer Antriebsmotor für einen Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs ausgestaltet sein.
Zu der Erfindung gehört schließlich auch ein Verfahren zum Herstellen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators. In an sich bekannter Weise wird bei dem Verfahren ein Blechpaket mit an einer Stirnseite als Kranz oder ringförmig angeordneten Wicklungsköpfen von elektrischen Wicklungen bereitgestellt. An der Stirnseite wird eine Verschaltungseinheit zum elektrischen Verbinden von Wicklungsenden der Wicklungen mit elektrischen Phasenleitern einer Spannungsquelle angeordnet.
Erfindungsgemäß ist in der beschriebenen Weise vorgesehen, dass zum Anordnen der Verschaltungseinheit ein Trägerring aus einem elektrisch isolierenden Material zusammen mit Fixiermitteln radial außenliegend um die Wicklungsköpfe angeordnet wird und ein die ringförmig angeordneten Wicklungsköpfe zumindest größtenteils umgebendes und die Wicklungen elektrisch verbindendes Brückenteil zumindest teilweise in dem Trägerring angeordnet wird. In der beschriebenen Weise wird also das Brückenteil zum Beispiel in eine umlaufende Nut des Trägerrings eingesteckt. Ein jeweiliges elektrisch leitfähiges Anschlusselement zum Anschließen einer der Phasenleiter wird ebenfalls an den Trägerring angeordnet, also zum Beispiel auf den beschriebenen Auflagebereich aufgelegt oder eingesteckt.
Die Anschlusselemente werden dann bevorzugt mit Wicklungsenden der Wicklungen jeweils mittels Laserschweißens durch einen Schweißautomaten verschweißt.
Das Aufstecken des Trägerrings, des Brückenteils und der Anschlusselemente erfolgt dabei bevorzugt entlang derselben axialen Richtung und wird bevorzugt durch Roboter ausgeführt.
Um eine zuverlässige Fixierung des Trägerrings bezüglich der Wicklungsköpfe zu erhalten, ist insbesondere vorgesehen, dass die beschriebenen Fixiermittel ein Quellmaterial umfassen und das Quellmaterial nach dem Anordnen der Verschaltungseinheit mit Kunstharz getränkt wird und das Quellmaterial hierdurch quillt. Bevorzugt erfolgt das Tränken im selben Arbeitsschritt, in welchem der Stator insgesamt in den Kunstharz eingetaucht wird, um hierdurch den Stator zu versiegeln, um ihn vor Korrosion durch Feuchtigkeit zu schützen.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stators beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
2 eine schematische Darstellung einer Explosionszeichnung eines Stators der elektrischen Maschine von 1;
3 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des Stators;
4 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht von Wicklungsköpfen mit einem darum angeordneten Trägerring des Stators; und
5 eine schematische Darstellung der Wicklungsköpfe und des Trägerrings von 4 mit einer Veranschaulichung eines Herstellungsschritts zum Anordnen und Quellen von Fixiermitteln zwischen den Wicklungsköpfen und dem Trägerring.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine elektrische Maschine 10, bei der es sich zum Beispiel um eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine handeln kann. Die elektrische Maschine 10 kann einen Stator 11 mit einem Blechpaket 12 und darin angeordneten elektrischen Wicklungen 13 in an sich bekannter Weise aufweisen. Die Wicklungen 13 ragen an Stirnseiten 14 des Blechpakets 12 aus diesem heraus und bilden dort Wicklungsköpfe 15. In dem Stator 11 kann ein Rotor 16 angeordnet sein, der um eine Rotationsachse 17 drehbar gelagert ist. Die elektrischen Wicklungen 13 des Stators 11 können über elektrische Leitungselemente oder Phasenleiter 18 abwechselnd mit elektrischem Strom aus einer Spannungsquelle 19 bestromt werden, wodurch in einem Luftspalt 20 zwischen dem Stator 11 und dem Rotor 16 ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird, durch welches der Rotor 16 um die Rotationsachse 17 gedreht wird. Durch die Phasenleiter 18 können elektrische Phasen U, V, W bereitgestellt sein. Die Spannungsquelle 19 kann zum Beispiel ein Stromrichter oder Wechselrichter sein, welcher z.B. an einen Gleichspannungs-Zwischenkreises 21 angeschlossen sein kann und den Strom in den Phasenleitern 18 erzeugen kann.
2 zeigt den Stator 11 mit dem Blechpaket 12 und den Wicklungsköpfen 15 einer Stirnseite 14. Um die Wicklungen 13 an den Wicklungsköpfen 15 mit den Phasenleitern 18 zu verbinden, können Drahtenden oder Wicklungsenden 22 der Wicklungen 13 als Anschlüsse axial hervorstehend über die Wicklungsköpfe 15 ausgerichtet oder ausgebildet sein.
Um die Wicklungsenden 22 mit den Phasenleitern 18 elektrisch zu verbinden, ist bei dem Stator 11 eine Verschaltungseinheit 23 bereitgestellt, die einen Trägerring 24 aus elektrisch isolierendem Material, Anschlusselemente 25 zum Anschließen der Phasenleiter 18 und ein Brückenteil 26 zum elektrischen Verbinden mehrerer der Wicklungen 13 untereinander aufweisen kann. Die Anschlusselemente 25 und das Brückenteil 26 sind jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, insbesondere Eisen oder Aluminium oder Stahl oder Kupfer. Es kann sich jeweils um Stanzbiegeteil handeln. Zum elektrischen Verbinden der Wicklungsenden 22 der Wicklungen 13 mit den Anschlusselementen 25 und dem Brückenteil 26 können diese jeweils radial nach innen zur Rotationsachse 17 hin weisende Anschlussfahnen 27 aufweisen, die mit den Wicklungsenden 22 zum Beispiel durch Laserschweißen stoffschlüssig verbunden sein können.
Zum Anschließen der Phasenleiter 18 können die Anschlusselemente Phasenanschlüsse 28 aufweisen, auf welche z.B. Stecker der Phasenleiter 18 aufgesteckt sein können. Bei den Anschlusselementen 25 können die Phasenanschlüsse 28 und die Anschlussfahnen 27 ausgebildet sein, indem zwischen den Phasenanschlüssen 28 und den Anschlussfahnen 27 jeweils ein Schlitz 29 ausgebildet wurde und dann durch Biegen der derart geschlitzten Platte z.B. in die in 2 dargestellte Form die Phasenanschlüsse 28 und die Anschlussfahnen 27 ausgebildet wurden.
Um einen ausreichend großen elektrisch leitfähigen Querschnitt 30 bei den Anschlusselementen 25 bereitzustellen, weist der Trägerring 24 Auflagebereiche 31 auf, auf welchen die Anschlusselemente 25 aufliegen können und/oder eingeklipst sein können. So kann der Querschnitt 30 radial verhältnismäßig weit nach außen ragen, ohne dass er dabei zu mechanischen Schwingungen neigt.
Das Brückenteil 26 umschließt entlang einer Umfangsrichtung 32 die Wicklungsköpfe 15 größtenteils, d.h. zumindest zur Hälfte. Das Brückenteil 26 ist dabei in eine Ringnut 33 des Trägerrings 24 eingelegt und wird hierdurch entlang des Umfangs 32 durch den Trägerring 24 gestützt oder gehalten. Somit kann bei Vibrationen des Stators 11 die ringförmige Struktur des Brückenteils 26 keine Eigenschwingung ausführen. Damit ist vermieden, dass die Anschlussfahnen 27 des Brückenteils 26 an den Anschlüssen 22, d.h. an den dortigen Schweißstellen, rütteln und diese aufbrechen.
3 zeigt die fertige Anordnung aus der Verschaltungseinheit 23 und dem Stator 11. Der Trägerring 24 hält das Brückenteil 26 und die Anschlusselemente 25 fest an den Wicklungsköpfen 15 gegen eine Vibration oder Bewegung entlang einer radialen Richtung R.
4 veranschaulicht, wie hierzu zwischen den Wicklungsköpfen 15 Fixiermittel 34 angeordnet sind. Die Fixiermittel 34 können beim Aufstecken der Verschaltungseinheit 23 auf die Wicklungsköpfe 15 in einem Spalt 35 zwischen den Wicklungsköpfen 15 und dem Trägerring 24 angeordnet werden.
5 veranschaulicht diesen Arbeitsschritt in schematisierter Weise. Die Fixiermittel 34 können insbesondere ein Quellmaterial 36 aufweisen, das während des Aufsteckens der Verschaltungseinheit 23 mit dem Trägerring 24 den Spalt 35 unvollständig ausfüllt, so dass ein Spaltmaß 37 in radialer Richtung R senkrecht zur Rotationsachse 17 zwischen den Wicklungsköpfen 15 und dem Trägerring 24 größer ist als eine radiale Abmessung oder Erstreckung 38 des Quellmaterials 36.
Durch Tränken des Stators 11 im montierten Zustand der Verschaltungseinheit 23 z.B. mit einem Polymer 39 ergibt sich ein Quellvorgang 40, durch welchen das Quellmaterial 36 sich in radialer Richtung R ausdehnt und hierdurch die radiale Erstreckung oder Abmessung 38 größer wird und das Quellmaterial 36 den Spalt 35 vollständig ausfüllt und hierdurch den Trägerring 24 radial bezüglich der Wicklungsköpfe 15 fixiert. Zusätzlich wird der Trägerring 24 durch Aushärten des Polymers auch axial bezüglich der Wicklungsköpfe 15 fixiert.
Die Konstruktion des Stators beruht somit auf dem allgemeinen Gedanken, einen Verbindungsprozess von Drahtenden von Wicklungen der Statorspulen mit zugehörigen elektrischen Anschlüssen zu automatisieren bzw. zu standardisieren, indem zunächst die Spulen des Stators derart gewickelt werden, dass ihre elektrischen Anschlüsse an vordefinierten Stellen einer Statornut als Wicklungsenden austreten. Weiterhin ist eine Verschaltungseinheit vorgesehen, welche einen Kunststoffring als Trägerring aufweist, dessen Aufgabe es ist, ein Brückenelement als Neutralbrücke und Anschlusselemente als UVW-Phasenanschlüsse im Stator eines Elektromotors aufzunehmen und zu positionieren. Anschließend wird die Verschaltungseinheit mit Kunststoffring, Neutralbrücke und UVW-Phasenanschlüssen derart auf dem Stator positioniert, dass Anschlussfahnen auf die Wicklungsenden des Stators ausgerichtet sind oder umgekehrt.
Durch die im Voraus ausgerichtete Zuordnung der spulenseitigen Anschlüsse und der schaltringseitigen Anschlussfahnen, kann eine vorzugsweise automatisierte Verbindung der Anschlüsse mit den Anschlussfahnen, insbesondere eine automatisierte Verschweißung, zur elektrischen Kontaktierung hergestellt werden. Durch den überwiegend automatisierten Verbindungsprozess kann nicht nur aufwendige und teure Handarbeit reduziert, sondern zugleich auch eine Fehlerquote gesenkt werden. Insbesondere entfällt durch ein derartig automatisiertes Verfahren die händische Zuordnung der einzelnen Anschlüsse an die zugehörigen Anschlussfahnen.
Des Weiteren ist ein Verfahren zur Reduzierung der Schwingungen der Verschaltungseinheit bereitgestellt. Um zu verhindern, dass das System durch zu große Ausschläge aus dem schwingfähigen Amplitudenbereich austritt oder zerstört wird, kann seine Eigenfrequenz verändert, oder die Stärke der Anregung verringert werden. Das kann man dadurch erreichen, dass die für Schwingungen anfällige Verschaltungseinheit kraftübertragend mit dem Wickelkopf des Stators gekoppelt wird.
Das Auftreten derartiger Resonanzen, die in der schwingungsanfälligen Verschaltungseinheit zu Rissen der Anschlussfahnen oder der Schweißnähte führt, kann so durch die schwingungstilgenden Eigenschaften des Stators vermieden werden. Aufgrund der relativ großen Toleranzen des Statorwickelkopfes ist allerdings eine dauerhafte kraftschlüssige Koppelung zur Verschaltungseinheit zu realisieren. Um die schwingungsanfällige Verschaltungseinheit kraftschlüssig und vor allem dauerhaft kraftschlüssig mit dem Statorwickelkopf zu verbinden, um Sie vor Schwingungsbruch bzw. Zerstörung durch Schwingungen und Resonanzen zu schützen, hat sich das folgende Verfahren als problemlösend erwiesen.

1) Aufbau der Statorwicklung mit spulenseitigen Anschlussfahnen am Statorblechpaket oder kurz Belchpaket;
2) Einlegen bzw. Anbringen einer Quellmatte am Wickelkopf des Stators umfangseitig;
3) Aufsetzen des Trägerringes mit Neutralbrücke und Phasenanschlüssen;
4) Verschweißen der verschaltungseinheit-seitigen und spulenseitigen Anschlussfahnen miteinander;
5) Tränken des Stators als Grundprozess: Vorwärmen, Tränken, Abtropfen, Gelieren, Aushärten und Abkühlen;
6) Hierbei als Teilprozess einbringen der Fixiermittel: Quellen der offenporigen Matte durch Erwärmung mit anschließender Durchtränkung der Matte. Gelieren und Aushärten eines lösungsmittelfreien Harzsystems in den durch Quellen vergrößerten Poren der Quellmatte.

Das Ergebnis ist ein Schutz und Stabilisierung der Wicklung und dauerhafte Kopplung der Verschaltungseinheit mit dem Stator- bzw. Statorwickelkopf.
Eine Ausbildung sieht als Fixiermittel Stoffe vor, die in Form von Zuschnitten oder Matten aufgebracht werden und durch Applikation von Temperatur während eines Tränkprozesses in den Endzustand übergehen z.B. durch Aufquellen und anschließendem Einlagern, Gelieren und Aushärten von Tränkharz."
Eine Ausbildung sieht Stoffe vor, die in Form von Zuschnitten oder Matten in verarbeitungsfertiger, also vorimprägnierter bzw. vorgetränkter Form (sog. Prepreg's) oder anderem Beta-Zustand aufgebracht werden und durch Applikation von Temperatur, Umgebungsbedingung (z.B. Luftfeuchte) oder anderen phasenunspezifischen Aktivatoren in den Endzustand übergehen z.B. durch chemische Reaktion, Aufquellen oder Einlagern."
Eine Ausbildung sieht Stoffe vor wo z.B. keramische Fasern mit Glimmerbestandteilen vermischt werden, die zu einer Volumenvergrößerung im Betrieb bei ausreichender Temperatur führen. Auch kann man bei Quellmatten grundsätzlich zwischen quellenden und nicht quellenden Materialien unterscheiden. Die Materialien werden durch Binder in eine verarbeitungsfähige Form als Matte gebracht. Z. B. ist eine typische Verteilung etwa 10% Binder, 45% Fasern und 45% Glimmerbestandteile.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine automatisierte Montage und schwingungstechnische Kopplung von Statorwicklung und Verschaltungseinheit bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Elektrische Maschine
11: Stator
12: Blechpakets
13: Wicklungen
14: Stirnseite
15: Wicklungsköpfe
16: Rotor
17: Rotationsachse
18: Phasenleiter
19: Spannungsquelle
20: Luftspalt
21: Spannung-Zwischenkreises
22: Anschlüsse
22: Wicklungsenden
23: Verschaltungseinheit
24: Trägerring
25: Anschlusselemente
26: Brückenteil
27: Anschlussfahnen
28: Phasenanschlüsse
29: Schlitz
30: Querschnitt
31: Auflagebereich
32: Umfangs
33: Ringnut
34: Fixiermittel
35: Spalt
36: Quellmaterial
37: Spaltmaß
38: Radiale Erstreckung
39: Polymer
40: Quellvorgang
R: Radiale Bewegung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004036368 A1 [0002]
WO 2007/088085 A1 [0003]

Claims

Stator (11) für eine elektrische Maschine (10), mit an einer Stirnseite (14) eines Blechpakets (12) ringförmig angeordneten Wicklungsköpfen (15) elektrischer Wicklungen (13) und mit einer Verschaltungseinheit (23) zum elektrischen Verbinden von Wicklungsenden (22) der Wicklungen (13) mit elektrischen Phasenleitern (18) einer Spannungsquelle (19), dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltungseinheit (24) einen Trägerring (24) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, welcher mittels Fixiermitteln (34) radial außenliegend um die Wicklungsköpfe (15) angeordnet ist und durch welchen ein jeweiliges elektrisch leitfähiges Anschlusselement (25) zum Anschließen einer der Phasenleiter (18) gehalten ist und in welchem ein die ringförmig angeordneten Wicklungsköpfe (15) zumindest größtenteils umgebendes und die Wicklungen (13) elektrisch verbindendes Brückenteil (26) zumindest teilweise angeordnet ist.
Stator (11) nach Anspruch 1, wobei das Brückenteil (26) und die Anschlusselemente (25) aus einer gemeinsamen Richtung auf den Trägerring (24) axial aufgesteckt oder aufgelegt sind.
Stator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trägerring (23) eine in Umfangsrichtung (32) entlang der Wicklungsköpfe (15) verlaufende und in axialer Richtung offene Nut (33) aufweist, in welche das Brückenteil (26) eingesteckt ist.
Stator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei a) jedes Anschlusselement (25) jeweils zumindest eine Anschlussfahne (27) für jeweils ein Wicklungsende (22) aufweist, wobei die Anschlussfahne (27) radial nach innen zu dem Wicklungsende (22) ragt, oder wobei b) sich pro Anschlusselement (25) zumindest ein Wicklungsende (22) radial nach außen zu einem Anschlussbereich des Anschlusselements (25) erstreckt.
Stator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anschlusselemente (25) mit den jeweiligen Wicklungsenden (22) durch Verschweißen stoffschlüssig verbunden sind.
Stator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Anschlusselement (25) und/oder das Brückenteil (26) jeweils als Stanzbiegeteil einstückig aus Blech gefertigt sind.
Stator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Anschlusselement (25) jeweils aus einer Platte durch Schlitzen (29) und Biegen gefertigt ist.
Stator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trägerring (24) für jedes Anschlusselement (25) einen sich radial nach außen erstreckenden Auflagebereich (31) zum Auflegen des Anschlusselements (25) aufweist.
Stator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Fixiermittel (34) ein zwischen dem Trägerring (24) und den Wicklungsköpfen (15) angeordnetes Füllmaterial bereitgestellt ist, welches einen Zwischenraum (35) zwischen dem Trägerring (24) und den Wicklungsköpfen (15) entlang eines Umfangs (32) des Trägerrings (24) ausfüllt.
Stator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fixiermittel (34) ein Quellmaterial (36), das mit einem Polymer getränkt ist, enthalten.
Stator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fixiermittel (34) Glimmer enthalten.
Elektrische Maschine (10) mit einem Stator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines Stators (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Blechpakets (12) mit an einer Stirnseite (14) ringförmig angeordneten Wicklungsköpfen (15) elektrischer Wicklungen (13) bereitgestellt wird und an der Stirnseite (14) eine Verschaltungseinheit (23) zum elektrischen Verbinden von Wicklungsenden (22) der Wicklungen (13) mit elektrischen Phasenleitern (18) einer Spannungsquelle (19) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anordnen der Verschaltungseinheit (23) ein Trägerring (24) aus einem elektrisch isolierenden Material zusammen mit Fixiermitteln (34) radial außenliegend um die Wicklungsköpfe (15) angeordnet wird und ein die ringförmig angeordneten Wicklungsköpfe (15) zumindest größtenteils umgebendes und die Wicklungen (13) elektrisch verbindendes Brückenteil (26) zumindest teilweise in dem Trägerring (24) angeordnet wird und ein jeweiliges elektrisch leitfähiges Anschlusselement (25) zum Anschließen eines der Phasenleiter (18) an dem Trägerring (24) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Anschlusselemente (25) mit Wicklungsenden (22) der Wicklungen (13) mittels Laserschweißens durch einen Schweißautomaten verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Fixiermittel (34) ein Quellmaterial (36) umfassen und das Quellmaterial (36) nach dem Anordnen der Verschaltungseinheit (23) mit Kunstharz getränkt wird und das Quellmaterial (36) hierdurch quillt (40).