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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spule für eine elektrische Maschine, wobei durch Biegen eines Leiters mehrere benachbart übereinander liegende Windungen der Spule durch einen jeweiligen Leiterabschnitt des Leiters gebildet werden.
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Elektrotechnische Spulen, die beispielsweise in Nuten einer elektrischen Maschine geführt sind, bestehen meist aus Leitern oder Leiterbündeln, die gegeneinander und gegen umgebende Materialien isoliert werden. Die einzelnen Leiter sind meist durch einen aufgebrachten Isolationslack isoliert. Auf die Leiter wirken im Betrieb, beispielsweise aufgrund der erzeugten Magnetfelder, Kräfte, die zu einer Bewegung der Leiter führen können. Durch diese Bewegung kann der Isolationslack beschädigt werden. Hieraus kann ein Kurzschluss einzelner Windungen oder ein Erdschluss resultieren, wodurch die Maschine zerstört wird.
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Eine Möglichkeit zur Stabilisierung der Spule ist es, sie beispielsweise durch ein Harz zu imprägnieren. Beispielsweise ist es aus der Druckschrift
EP 2 731 111 A1 bekannt, eine Isolation einer Spule dadurch zu erreichen, dass sie mit einem Copolymer besprüht wird. Ein großräumiges Auftragen von Harzen oder Kunststoffen führt zwar einerseits zu einer robusten elektrischen Isolierung und zu einer mechanischen Stabilisierung der Leiterabschnitte, so dass eine Relativbewegung eingeschränkt oder verhindert wird, andererseits sind die aufgebrachten Materialien typischerweise schlecht wärmeleitfähig, wodurch die Kühlung der Spule deutlich erschwert wird. Da die Leistungsfähigkeit von Hochleistungselektromaschinen, insbesondere im Bereich des Fahrzeugantriebs, häufig durch die erreichbare Kühlleistung beschränkt wird, führt dies häufig auch zu einer Einschränkung der Leistungsfähigkeit einer solchen elektrischen Maschine.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Spulen bereitzustellen, die effizient kühlbar sind, und dennoch im Dauerbetrieb eine zuverlässige Isolierung der Windungen zu erreichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei zumindest ein Paar von Leiterabschnitten, die benachbarte Windungen bilden, über eine zwischen den Leiterabschnitten angebrachte Klebmittelschicht miteinander verklebt werden.
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Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, gezielt Leiterabschnitte benachbarter Windungen zu verkleben. Eine derartige Verklebung kann, wie noch detailliert erläutert werden wird, ausschließlich lokal erfolgen, wodurch große Teile des Leiters keine Klebmittelschicht aufweisen können. Da Klebmittelschichten typischerweise eine geringe Wärmleitfähigkeit aufweisen, kann durch diese lokale Verklebung die Wärmeabfuhr der Spule deutlich verbessert werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Spule durch einen direkten Kontakt mit einem Kühlfluid, insbesondere mit einer Kühlflüssigkeit, gekühlt wird.
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Als Klebmittel, das die Klebmittelschicht bildet, kann beispielsweise ein lösungsmittelhaltiger Klebstoff, ein Dispersionsklebstoff, ein Harz, insbesondere ein Epoxidharz, ein Backlack, der erst nach einem Heizen zu einem Verkleben führt, oder Ähnliches genutzt werden. Der Leiter kann, insbesondere bereits vor dem Biegen und/oder dem Aufbringen des Klebmittels, mit einer Isolationsschicht, beispielsweise Isolationslack, versehen sein oder werden.
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Die Klebmittelschicht kann sich ausschließlich über einen jeweiligen Teilabschnitt der verklebten Leiterabschnitte erstrecken. Bei dem Teilabschnitt handelt es sich insbesondere um einen Abschnitt in Längsrichtung des Leiters, der kürzer als der Leiterabschnitt ist. Anders ausgedrückt ist zumindest ein weiterer Abschnitt der Leiterabschnitte jeweils klebemittelfrei. Durch eine solche, ausschließlich lokale, Verklebung der einzelnen Windungen bzw. ihrer Leiterabschnitte kann die Wärmeabfuhr von der Spule verbessert werden.
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Das die Klebmittelschicht bildende Klebmittel kann vor dem Biegen des Leiters in die Spulenform auf zumindest einem der Leiterabschnitte aufgebracht werden. Zusätzlich kann vor dem Biegen bereits Klebmittel für eine ein- oder beidseitige Verklebung der Spule mit einem Spulenträger aufgebracht werden. Die zusätzliche Verklebung kann beispielsweise mit einem Statorkörper, einem aufsteckbaren Zahnkopf oder einem Gehäuse, das beispielsweise die Spule bzw. den Stator zur Ausbildung eines Kühlvolumens kapseln kann, erfolgen. Durch ein Aufbringen des Klebmittels vor dem Biegen können die Kontaktflächen der Leiterabschnitte, an denen diese verklebt werden sollen, mit geringem Aufwand erreicht werden. Somit wird es beispielsweise ermöglicht, das Klebemittel im Rahmen eines voll- oder hochautomatisierten Herstellungsprozesses für die Spule auf den Leiter aufzubringen.
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Die Spule kann durch Biegen eines vorgeformten Leiterblechs hergestellt werden. Das Leiterblech kann beispielsweise durch ein Ausstanzen, ein Ausschneiden oder Ähnliches geformt werden. Durch entsprechende Ausnehmungen des Blechs kann das vorgeformte Leiterblech eine Schlangenlinienform aufweisen. Diese Form kann abgerundet oder kantig verlaufen. Durch ein mehrfaches Falten bzw. Umbiegen eines solchen vorgeformten Leiterblechs kann mit geringem Aufwand eine Spule aus dem Leiter hergestellt werden. Die Faltkanten, an denen ein Umbiegen erfolgt, sind hierbei im vorgeformten Leiterblech vorzugsweise parallel. Das Falten bzw. das Biegen kann derart erfolgen, dass ein minimaler Biegeradius nicht unterschritten wird. Durch ein entsprechendes Biegen des Leiterblechs können geradlinig durch die Spule verlaufende Kühlkanäle ausgebildet werden.
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Das die Klebmittelschicht bildende Klebmittel kann ausschließlich auf einer Vorderseite und/oder einer Rückseite des Leiterblechs aufgebracht werden. Insbesondere bleiben die Kanten des Leiterblechs, die beispielsweise beim Schneiden oder Stanzen des vorgeformten Leiterblechs ausgebildet wurden, klebemittelfrei. Insbesondere können auch jene Bereiche klebemittelfrei bleiben, die nach dem Biegen den geringsten Biegeradius aufweisen, das heißt am stärksten gekrümmt sind. Es ist auch möglich, dass das Leiterblech mehrere Abschnitte aufweist, wobei in den einzelnen Abschnitten jeweils ausschließlich auf der Vorderseite, oder ausschließlich auf der Rückseite oder weder auf der Vorder- noch auf der Rückseite Klebmittel aufgebracht wird. Durch ein Aufbringen von Klebmittel auf die Vorder- und/oder Rückseite des Leiterblechs kann mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, in welchen Bereichen des Leiters eine Klebmittelschicht ausgebildet wird und welche Bereiche klebmittelfrei bleiben.
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Die Leiterabschnitte können vor dem Aufbringen der Spule auf einen Spulenträger verklebt werden, als beispielsweise vor dem Aufstecken auf einen Statorzahn oder vor dem Einlegen der Spule in ein Nutenpaar. Durch die Verklebung kann somit eine leicht handhabbare Spule bereitgestellt werden, die mit geringem Aufwand verbaut werden kann.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung eine Spule für eine elektrische Maschine, wobei mehrere benachbart übereinander liegende Windungen der Spule durch einen jeweiligen Leiterabschnitt eines Leiters gebildet werden, wobei zumindest ein Paar von Leiterabschnitten, die benachbarte Windungen bilden, über eine zwischen den Leiterabschnitten angebrachte Klebmittelschicht miteinander verklebt sind.
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Vorzugsweise ist die Spule gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Die Spule kann unabhängig hiervon auch mit den zu dem Verfahren erläuterten Merkmalen mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden. Gleichermaßen können die einzelnen zu der Spule erläuterten Merkmale dazu dienen, das erfindungsgemäße Verfahren weiter zu bilden.
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Der Leiter der Spule kann helixartig um einen Innenkörper, beispielsweise einen Statorzahn, geführt sein. Es ist jedoch auch möglich, die Spule separat von einem solchen Innenkörper auszubilden bzw. zu nutzen. Die Spule kann im Wesentlichen eine Hohlzylinderform aufweisen, jedoch beliebig verzerrt sein und beispielsweise eine näherungsweise rechteckige Grundfläche aufweisen. Beispielsweise können die einzelnen Windungen die Form eines Rechtecks oder eines abgerundeten Rechtecks aufweisen. Es ist hierbei möglich, dass die Verklebung ausschließlich an den langen oder ausschließlich an den kurzen Seiten dieses Rechtecks erfolgt.
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Die Klebmittelschicht kann sich ausschließlich über einen jeweiligen Teilabschnitt der verklebten Leiterabschnitte erstrecken. Dies wurde bereits zum erfindungsgemäßen Verfahren detailliert erläutert.
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Die Windungen können eine Hochachse umlaufen, wobei eine der Hochachse zugewandten Innenfläche oder eine von der Hochachse abgewandte Außenfläche der Spule frei von Klebmittel ist. Dies ermöglicht es, die Spule über die Innen- bzw. Außenfläche besonders effizient zu kühlen.
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Zudem betrifft die Erfindugn eine elektrische Maschine, die wenigstens eine erfindungsgemäße Spule umfasst. Die Spule kann insbesondere auf einem Spulenzahn, beispielsweise einem Statorzahn, angeordnet sein oder sie kann sich beispielsweise als verteilte Spule über mehrere Statorzähne erstrecken. Vorzugsweise steht die Spule unmittelbar mit einem Kühlfluid in Kontakt. Als Kühlfluid kann ein Gas, beispielsweise Luft, oder eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Öl, genutzt werden. Die Spule kann, insbesondere gemeinsam mit einem Spulenträger, also beispielsweise einem Statorkörper, in einem Gehäuse angeordnet sein, das durch das Kühlfluid durchströmbar ist. Das Gehäuse kann das Kühlvolumen abgesehen von wenigstens einem Kühlmittelzufluss und wenigstens einem Kühlmittelabfluss vollständig umgeben.
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Die Spule kann einseitig oder beidseitig in Stapelrichtung der Windungen über eine zusätzliche Klebmittelschicht mit einem Spulenträger oder einer anderen Komponente der elektrischen Maschine, beispielsweise einem aufgesteckten Statorzahnkopf oder dem vorangehend erläuterten Gehäuse, verklebt sein. Diese zusätzliche Klebmittelschicht kann bereits im Rahmen der Herstellung der Spule, insbesondere vor dem Biegen der Spule, auf den Leiter aufgebracht werden.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst. Wie bereits einleitend erläutert, ist eine besonders effiziente Kühlung der Spulen in dieser elektrischen Maschine möglich, wodurch eine Wärmeabfuhr verbessert und somit eine höhere Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erreicht werden kann. Die elektrische Maschine kann daher insbesondere als Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs genutzt werden, da für solche Maschinen hohe Leistungsdichten erforderlich sind.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 eine Detailansicht eines Stators eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, wobei ein dort genutztes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spule dargestellt ist,
- 2 ein Detail der in 1 gezeigten Spule,
- 3 ein vorgeformtes Leiterblech, das in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spule nutzbar ist, und
- 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt eine Detailansicht eines Stators 1 einer elektrischen Maschine. Auf die Statorzähne 18 des Stators 1 ist jeweils eine Spule 2 aufgesteckt, die mehrere benachbart übereinander liegende Windungen 3, 4 aufweist. 2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht der Spule 2.
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Um zu verhindern, dass die Leiterabschnitte 5, 6, die die Windungen 3, 4 bilden, beim Betrieb der Spule aneinander reiben und somit beispielsweise eine nicht gezeigte Isolierung der Leiterabschnitte 5, 6 beschädigt werden könnte, sind Paare von Leiterabschnitten 5, 6, die benachbarte Windungen 3, 4 bilden, über eine zwischen den Leiterabschnitten 5, 6 angebrachte Klebmittelschicht 7 miteinander verklebt. Da Klebmittel typischerweise schlecht wärmeleitfähig sind, erstreckt sich die Klebmittelschicht 7 ausschließlich über einen jeweiligen Teilabschnitt 8 der verklebten Leiterabschnitte 5, 6. Hierdurch wird erreicht, dass eine der Hochachse 19 der Spule 2 zugewandte Innenfläche der Spule und eine hiervon abgewandte Außenfläche der Spule frei von Klebmittel sind, womit sowohl eine außenseitige als auch eine statorzahnseitige Kühlung mit hoher Effizienz erreicht werden kann. Zudem sind auch jene Oberflächen der Leiter 5, 6, die Kühlfluidkanälen 20 zugewandt sind, die senkrecht zur Bildebene in 1 und 2 durch die Spule 2 verlaufen, frei von Klebmittel. Insgesamt wird somit eine hocheffiziente Kühlung der Spule 2 erreicht, insbesondere wenn die Spule 2 direkt mit einem Kühlfluid in Kontakt steht.
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Die Spule 2 ist zudem über zusätzliche Klebmittelschichten 9, 10 mit dem Stator 1 und einem nach Aufbringen der Spule auf den Statorzahn 18 aufgebrachten Zahnkopf 11 verklebt.
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Ein Beispiel für die Herstellung der Spule 2 wird im Folgenden mit Bezug auf 3 erläutert. Hierbei wird zunächst ein vorgeformtes Leiterblech 12 hergestellt, das eine Schlangenlinienform aufweist. Das vorgeformte Leiterblech 12 kann beispielsweise aus einem rechteckigen oder beliebig anders geformten Leiterblech ausgestanzt oder ausgeschnitten werden.
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Um aus diesem Leiterblech die in 1 und 2 dargestellte Spule 2 herzustellen, wird das Leiterblech mehrfach gefaltet. Das Falten erfolgt derart, dass ein gewisser minimaler Biegeradius nicht unterschritten wird. Die Linien 21 - 24, an denen ein Falten erfolgt bzw. der Biegeradius nach dem Biegen minimal ist, sind in 3 und teilweise in 2 dargestellt.
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Beispielsweise wird der Bereich unterhalb der Linie 21 in 3 auf den Betrachter zu gefaltet und der Bereich oberhalb der Linie 22 vom Betrachter weg. Wird dieses abwechselnde Falten fortgesetzt, so kommen z. B. die Bereiche 15, 16 übereinander zum Liegen. Die Bereiche 15, 16 bilden jene Abschnitte der Spule 2, die in 1 auf der vom Betrachter abgewandten Seite des Statorzahns 18 liegen. Der Bereich 17 liegt in 1 auf der dem Betrachter zugewandten Seite des Statorzahns 18.
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Auf das Leiterblech wird vorzugsweise vor dem Falten bereits Klebmittel 13, 14 aufgebracht. Das Klebmittel 14 ist auf der vom Betrachter abgewandten Rückseite des vorgeformten Leiterblechs 12 in 3 angeordnet und ist daher nur durch randseitige Markierungen dargestellt. Durch die beschriebene Faltung wird erreicht, dass in der resultierenden Spule 2 die den Kühlkanälen 20 zugewandten Flächen des Leiters klebmittelfrei sind und zwischen den einzelnen Windungen 3, 4 jeweils Klebmittelschichten 7 ausgebildet werden.
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4 zeigt ein Kraftfahrzeug 25, das eine elektrische Maschine 26 umfasst, die den ausschnittsweise in 1 gezeigten Stator 1 umfasst. Der Stator 1 ist durch mehrere in 1 dargestellten Abschnitte gebildet. Innerhalb des Stators 1 ist der Rotor der elektrischen Maschine 27 gelagert. Die elektrische Maschine 26 dient zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 25.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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