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Die Erfindung betrifft die Verbindungstechnik von Wicklungsdraht für eine Motorspule und eine Kontaktiereinheit.
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Es sind Kontaktiereinheit für elektrische Maschinen bekannt, die dazu geeignet sind die Motorspulen in einem bestimmten Schaltungsschema miteinander zu verschalten, sodass jede Motorspule einzeln gewickelt werden kann. Die separaten Motorspulen weisen zwei Anschlüsse auf, die als Anfang und Ende eines Wickeldrahtes ausgebildet sind. Diese Anschlüsse werden mittels der Kontaktiereinheit in eine Schaltungslogik, z.B. Stern- oder Dreieck-Schaltung verschaltet. Somit ist ein Durchwickeln mit einem durchgängigen Draht nicht erforderlich. Das Kontaktieren erfolgt jedoch durch bauraumintensive Maßnahmen, sodass der Bauraum des Motors wesentlich vergrößert ist gegenüber einer durchgewickelten Schaltungsanordnung. Diese Maßnahmen sind beispielsweise durch Schraubklemmen, Quetsch- und Schneidverbindungen und/oder elektrisches Kontaktschweißen ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung gemäß der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass weniger Bauraum für die Kontaktiereinheit in Anspruch genommen wird als bei der herkömmlichen Kontaktiereinheit. Dies wird erreicht indem eine Kontaktiereinheit für eine elektrische Maschine wenigstens eine Leiterbahn umfasst, wobei die Leiterbahn wenigstens eine Erhebung aufweist, an die ein Wickeldraht einer Spule stoffschlüssig anbringbar ist. Dabei kann ein kontaktloses Verfahren verwendet werden. Dadurch ist es möglich eine platzraubende Klemme zu vermeiden. Weiter ist die Erhebung von außen leicht zugänglich, da die Erhebungen von gegenüber ihrer Umgebung herausragen. So ist eine stoffschlüssige Verbindung ohne zusätzlichen Raum in der Kontaktiereinheit herstellbar. Bei einer konventionellen Kontaktiereinheit bei der beispielsweise durch Kontaktschweißen eine Verbindung hergestellt wird, muss Raum für die Elektroden der Schweißvorrichtung vorgesehene werden. Daher wird durch die vorliegende Erfindung deutlich Bauraum gegenüber einer herkömmlichen elektrischen Maschine eingespart. Die Erhebungen erheben sich in Axialrichtung der elektrischen Maschine.
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Der Wickeldraht wird auf den Kontaktierabschnitt angeordnet, und mittels eines kontaktlosen Verbindungsverfahrens, wie Laserlöten, Laserschweißen, Ultraschalllöten und/oder Ultraschallschweißen an der Leiterbahn befestigt. Diese Verfahren können ohne Elektroden mit einem Abstand zum zu verbindenden Bereich ausgeführt werden. Bei den Lötverfahren ist es denkbar zusätzliches Lötzinn in Form einer Paste, eines Drahts und/oder einer schon vorhandenen Beschichtung der zu verbindenden Bauteile zuzuführen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt.
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Vorteilhafter Weise ist die Leiterbahn aus einem Blechstreifen gefertigt. Dabei kann die Leiterbahn aus einem Blech gestanzt werden. Der Blechstreifen kann gleichzeitig oder anschließend durch Biegen und/oder Prägen bearbeitet werden, sodass die Erhebung bogenförmig und/oder halbbogenförmig aus einer Hauptebene der Leiterbahn entspringt. Die Hauptebene ist die Ebene in der der Großteil der Leiterbahn liegt. Sie stellt die Ebene dar, aus der die Erhebung entspringt. Unter einer bogenförmigen Erhebung ist ein Blechsteifen zu verstehen, der sich von der Hauptebene quer dazu erstreckt, um sich dann wieder zur Hauptebene zu erstrecken, um auf der Hauptebene zu enden. Der Bogen kann ecken und/oder Radien aufweisen. Weiter kann der Bogen gekrümmte und/oder gerade Abschnitte aufweisen, sodass ein sehr effektives Anordnen und Verbinden des Drahtes erfolgt. Der Halbbogen erstreckt sich von der Hauptebene weg, jedoch erstreckt er sich nicht ganz zurück zu Hauptebene. Dabei kann sich der Halbbogen wenigstens teilweise zur Hauptebene hin erstrecken, jedoch endet er nicht auf der Hauptebene, sondern endet vorher. Er weist ein freies Ende auf, das nicht in eine Leiterbahn übergeht.
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Zweckmäßigerweise weist die Erhebung einen Kontaktierabschnitt auf, auf dem der Wickeldraht angeordnet wird, um mit dem Kontaktierabschnitt verbunden zu werden. Der Kontaktierabschnitt ist leitend mit der übrigen Leiterbahn verbunden. Dabei ist der Kontaktabschnitt von der Hauptebene beabstandet. Er ist insbesondere in etwa parallel beabstandet. Der Kontaktabschnitt kann aus geraden oder gekrümmten Abschnitten ausgebildet sein, sodass er nicht über seine gesamte Länge parallel zur Hauptebene verläuft.
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Besonders nützlich ist es, wenn der Kontaktierabschnitt innerhalb, wie bei einem bogenförmigen Kontaktierabschnitt, und/oder an einem Ende, wie bei einem halbbogenförmigen Kontaktierabschnitt, einer Leiterbahn ausgebildet ist. Der Kontaktierabschnitt ist vorzugsweise einstückig mit der Leiterbahn ausgebildet. So kann der Kontaktierabschnitt durch den Stanzprozess unmittelbar mitgefertigt werden.
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Die Erhebung steigt von der Hauptebene aus auf wenigstens ein Maximum an, und von diesem Maximum aus sinkt die Erhebung auf ein Minimum ab, das bezüglich der Erstreckungsrichtung zwischen dem Maximum und der Hauptebene angeordnet ist. Durch diese Ausführungsvariante wird eine optimale Anlagefläche für den Wickeldraht erzeugt, die durch das Minimum definiert wird. Der Wickeldraht wird in das Minimum eingelegt, und dort mit dem Kontaktierabschnitt verbunden. Der Kontaktierabschnitt beinhaltet das Minimum und das Maximum. Wenigstens das Minimum ist aus einem Metall, wobei eine Kupferlegierung besonders gut geeignet ist.
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Durch den Lageunterschied zwischen dem Minimum und dem Maximum, bildet das Minimum eine Senke für flüssige Bestandteile, wie Lötzinn, der stoffschlüssigen Verbindung. Wird die stoffschlüssige Verbindung in einer bezüglich des Erdanaziehungskraft ausgerichteten Position des Kontaktierabschnitts hergestellt, können die flüssigen Bestandteile gemäß dem Potentialunterschied zwischen Minimum und der Hauptebene in die Senke, also das Minimum, fließen. Die flüssigen Bestandteile fließen in den potentialmäßig energetisch günstigeren Bereich. Es kann auch durch einen Kapillareffekt der flüssige Bestandteil in das Minimum gesaugt werden. Wenn das Minimum wenigstens eine Wandung aufweist, die zum Wickeldraht gerichtet ist, und die durch den Kontaktierabschnitt gebildet ist, also vorzugsweise durch einen Abschnitt der Leiterbahn gebildet ist, dann ist diese durch die veränderliche Steigung der Wandung nur gering von dem Wickeldraht beabstandet gegenüber einem Kontaktierabschnitt, der gerade ist, also keine veränderliche Steigung aufweist. Es ist auch denkbar, die Wandung wenigstens abschnittsweise derart stark zu krümmen, dass die Steigung der Wandung den Wickeldraht nachformt. Durch die veränderliche Steigung der Wandung wird ein geringer Abstand erreicht, der geeignet ist einen Kapillareffekt mit dem flüssigen Bestandteil auszubilden. Die flüssigen Bestandteile werden wenigstens teilweise in die Bereiche gesaugt, bei denen sich die Oberfläche des Wickeldrahts und der Wandung gegenüberliegen und/oder sich berühren. Es ist auch eine Kombination aus Kapillareffekt und potentieller Energie der Erdanziehungskraft möglich, um die flüssigen Bestandteile in die Senke zu befördern.
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Von dem Maximum aus erstreckt sich ein vorteilhafter Abschnitt zum Minimum hin. Wenn sich nun ein weiterer Abschnitt auf der gegenüberliegenden Seite des Minimums von dem Minimum weg erstreckt, wird ein Minimum definiert, das eine optimale Auflagefläche für den Wickeldraht gewährleistet. Dabei kann dieser zweite Abschnitt ein freies Ende aufweisen, wie bei einem halbbogenförmigen Kontaktierabschnitt. Es ist auch möglich ein zweites Maximum auszubilden. Dazu erstreckt sich der zweite Anschnitt vom Minimum aus nach oben, um ein Maximum zu bilden, und um sich dann wieder in Richtung Hauptebene zu erstrecken. Dabei kann sich der Kontaktierabschnitt vom zweiten Maximum soweit erstrecken, dass er in der Hauptebene mündet oder vorher endet und ein freies Ende bildet. Der Kontaktierabschnitt wird dabei vorzugsweise symmetrisch ausgebildet. Alternativ ist es denkbar den Kontaktierabschnitt nichtsymmetrisch auszubilden, sodass die Maxima lateral und/oder axial unterschiedlich weit zu dem Minimum beabstandet sind. Das Maximum und/oder das Minimum können durch ein Radius, eine Ecke und/oder ein Spitze gebildet werden. So wird ein Kontaktierabschnitt bereitgestellt, der eine optimale Abfuhr der flüssigen Bestandteile ermöglich, und sehr kompakt baubar ist.
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Der Kontaktierabschnitt ist v- und/oder u- und/oder w-förmig, sodass eine definierte Form für den Wickeldraht bereitgestellt ist. Die unterschiedlichen Formen und Symmetrien sind untereinander Mischbar, sodass unterschiedliche Kontaktierabschnitte an einer Leiterbahn oder einer Kontaktiereinheit unterschiedlich geformt sind. Es ist möglich, nur eine Ausgestaltung einheitlich in einer Kontaktiereinheit zu verwenden.
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Eine Aufbauvariante der Kontaktiereinheit besteht darin eine Mehrzahl von Leiterbahnen zu verwenden, sodass eine Mehrzahl von Spulen verschaltet werden können. Die Leiterbahnen sind in einer Hauptebene angeordnet, aus der sich die Erhebungen in die gleiche Richtung in beanstandeter Weise erstrecken. Dabei enthalten die Leiterbahnen vorzugsweise Kupfer. Um eine möglichst gute Kontaktierung insbesondere für ein Lötverfahren zu gewährleisten, sind die Leiterbahnen vorzugsweise verzinnt. Die Leiterbahn ist ganz oder nur teilweise verzinnt. Teilweise verzinnte Leiterbahnen sind besonders materialsparend, da nur der Kontaktierabschnitt verzinnt ist, sodass Zinn gespart wird. In einer Weiterführung der Ausführungsform weist die Kontaktiereinheit einen Grundkörper aus Kunststoff auf, in den die Leiterbahnen eingelegt sind. Dabei können die Leiterbahnen von dem Kunststoff umspritzt oder in den Grundkörper eingeklippst oder lose eingelegt sein. Die Leiterbahnen sind gegen verdrehen gesichert.
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Der Grundkörper ist axial an einem Stator der elektrischen Maschine angeordnet. Der Stator umfasst Spulen aus dem Wickeldraht, wobei die Spulen Anschlüsse in Form von Drahtenden aufweisen, die sich axial von den Spulen erstrecken. Die Drahtenden werden an dem Grundkörper vorzugsweise radial außen vorbeigeführt. Durch ein Biegen in Radialrichtung werden die Drahtenden auf die Kontaktierabschnitte angeordnet. Die Kontaktierabschnitte erstecken sich in Axialrichtung, sodass die Drahtenden gleichförmig angeordnet werden können. Anschließend werden die Drahtenden des Wickeldrahts fest mit den Kontaktierabschnitten verbunden.
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Um eine möglichst kompakte Bauweise der Kontaktiereinheit zu erhalten, ist es von Vorteil die Kontaktierabschnitte der einzelnen Leiterbahnen tangential zueinander zu versetzen. Der Grundkörper ist kreisförmig und vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist er ringförmig ausgebildet. Aufgrund der kreisförmigen Grundform des Grundkörpers ist es zweckmäßig die Leiterbahnen wenigstens Abschnittsweise kreisförmig zu formen. Die Leiterbahnen können somit in einer kreisförmigen Anordnung konzentrisch zueinander angeordnet werden, wobei die Kontaktierabschnitte versetzt zueinander sind, sodass eine Verschaltung der Spulen in ein Schaltungsschema, wie Dreieckschaltung und/oder Sternschaltung erreicht werden kann. Dazu können vier unterschiedliche Leiterbahnen eingelegt werden, deren Kontaktierabschnitte tangential versetzt zueinander sind, jedoch derart benachbart sind, dass die Drahtenden lediglich in Radialrichtung gebogen werden. Eine Biegung in Tangetialrichtung ist vorzugsweise nicht notwendig.
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Um eine möglichst gute stoffschlüssige Verbindung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der Wickeldraht an den Drahtenden gereinigt und/oder insbesondere abisoliert wird. Es ist auch möglich durch ein chemisches Verfahren eine Isolierschicht auf dem Wickeldraht zu entfernen. Das Reinigen auf chemische Weise erfolgt, indem man beispielsweise Lösungsmittel oder Säuren vor oder während des stoffschlüssigen Verbindens verwendet. Neben dem chemischen Verfahren ist auch ein mechanisches Reinigen und/oder Abisolieren möglich, bei dem die Oberfläche der Drahtenden abgeschliffen und/oder abgekratzt wird. Als weitere Variante einer Reinigung beziehungsweise einer Abisolierung ist die Verwendung von Hitze denkbar. Nach dem behandeln der Drahtenden werden diese auf den Kontaktierabschnitten angeordnet und dort mit diesen verbunden, wobei die flüssigen Bestandteile, wie Metall oder Lötzinn, während des Verbindungvorgangs in einen Bereich zwischen Wickeldraht und Kontaktierabschnitt befördert werden, der vorzugsweise durch ein Minimum definiert ist.
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Die Figuren zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einer Kontaktiereinheit,
- 2 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Kontaktiereinheit,
- 3 a) einen Schnitt durch einen halbbogenförmigen Kontaktierabsch nitt,
- 3 b) einen Schnitt durch einen bogenförmigen Kontaktierabschnitt.
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In 1 ist eine elektrische Maschine 12 schematisch dargestellt, die eine erfindungsgemäße Kontaktiereinheit 10 aufweist. Die Kontaktiereinheit 10 ist auf einem axialen Ende eines Stators 11 der elektrischen Maschine 12 angeordnet, Der Stator 11 trägt Spulen 18 der elektrischen Maschine 12, wobei die Spulen 18 in 2 zu sehen sind. Sie sind bezüglich der Radialrichtung 2 nach innen gerichtet.
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Entlang der Axialrichtung 1 ragt eine Motorwelle 13 aus der elektrischen Maschine 12 heraus, die von der ringförmigen Kontaktiereinheit 10 umringt ist. In der Kontaktiereinheit 12 sind Leiterbahnen 14 eingelegt. Es sind vier Leiterbahnen 14 enthalten. Alternativ können mehr oder weniger Leiterbahnen 14 enthalten sein. Die Anzahl der Leiterbahnen 14 richtet sich nach der Anzahl der Spulen 18 und deren Verschaltungsschema, wie beispielsweise Stern- und/oder Dreieckschaltung. Die Kontaktiereinheit 12 weist einen Grundkörper 15 auf, der aus Kunststoff besteht. In den Grundkörper 15 sind die Leiterbahnen 14 eingelegt. Die Leiterbahnen 14 sind fest in dem Grundkörper 15 angeordnet. Dabei sind die Leiterbahnen 14 wenigstens teilweise kreisförmig ausgebildet. Sie erstecken sich in Tangentialrichtung 3 über einen Kreisbogen des ringförmigen Grundkörpers 15. Die Leiterbahnen 14 sind in Tangetialrichtung 3 versetzt zueinander, sodass sie in konzentrischer Weise kreisförmig angeordnet sind, und gleichzeitig bezüglich der Radialrichtung 2 wenigstens zum Teil nebeneinander liegen.
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Die Spulen 18 sind aus einem Wickeldraht 16 gewickelt. Der Wickeldraht 16 weist einen Anfang und ein Ende auf, wobei diese Drahtenden 19 in Axialrichtung 1 aus dem Stator 11 herausragen. Diese Drahtenden 19 werden in Radialrichtung 2 vorzugsweise um ungefähr 90° gebogen, sodass das Drahtende 19 auf einer Erhebung 21 angeordnet wird. Die Erhebung 21 ist Teil der Leiterbahn 14, wobei die Erhebung 21 einstückig mit der Leiterbahn 14 ausgebildet ist. Die Erhebung 21 umfasst einen Kontaktierabschnitt 17, der mit dem Drahtende 19 stoffschlüssig verbunden wird.
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In der Ausführungsform gemäß der 1 und 2 sind mehrere - vorzugsweise zwei - Spulen 18 mit einem durchgängigen Wickeldraht 16 gewickelt, sodass dieser Verbund von Spulen zwei gemeinsame Drahtenden 19 aufweist.
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In 2 ist die Kontaktiereinheit 10 in einer vergrößerten Darstellung abgebildet. Es ist zu erkennen, dass die Kontaktierabschnitte 17 durch bogenförmige und halbbogenförmige Erhebungen 21 gebildet werden.
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Die vier Leiterbahnen 14 sind in drei kreisbogenförmigen Teilringen 23 konzentrisch zueinander angeordnet. Die Teilringe 23 liegen in einer Hauptebene 22 des ringförmigen Grundkörpers 15. Sie sind in Axialrichtung 1 nicht zueinander beabstandet. Der Teilring 23 mit dem kleinsten Radius ist direkt am inneren Rand 29 des ringförmigen Grundkörpers 15 angeordnet. Auf dem kleinsten Teilring 23 ist eine Leiterbahn 14 angeordnet, deren Radius konstant ist, wobei sich die kleinste Leiterbahn 23 um ungefähr 180° erstreckt. An den Enden der Leiterbahn 14 dieses kleinsten Teilrings 23 sind halbbogenförmige Kontaktierabschnitte 17 angeordnet. Der Teilring 23 mit dem größten Radius ist am weitesten von dem inneren Rand 29 beabstandet. Die Leiterbahn 14 auf diesem größten Teilring 23 erstreckt sich über mehr als 180°, insbesondere mehr als 270°. Die Leiterbahn 14 auf dem größten Teilring 23 weist sechs bogenförmige Kontaktierabschnitte 17 auf, wobei zwei Kontaktierabschnitte 17 im Bereich der Enden der Leiterbahn 14 angeordnet sind. Die Kontaktierabschnitte 17 sind entlang der Leiterbahn 14 äquidistant verteilt. Zwischen dem größten und dem kleinsten Teilring 23 ist ein mittlerer Teilring 23 angeordnet, auf dem sich zwei weitere mittlere Leiterbahnen 14 befinden. Eine der mittleren Leiterbahnen 14 weist einen konstanten Radius auf, währender sich der zweite aus der Lage zwischen dem größten und kleinsten Teilring 23 auf den Radius des kleinsten Teilrings 23 erstreckt. Die Leiterbahn 14 mit dem veränderlichen Radius wechselt den Teilring 23 ohne eine weitere Leiterbahn 14 axial zu kreuzen und/oder zu berühren. Diese Leiterbahn 14 weist somit zwei unterschiedliche Radien auf. Die Leiterbahnen 14 auf dem mittleren Teilring 23 weisen an den Enden halbbogenförmige Kontaktierabschnitte 17 auf. Unter Teilring 23 ist ein Ring mit einem konstanten Radius zu verstehen der sich in der Hauptebene 22 befindet und auf dem eine Leiterbahn 14 angeordnet ist. Ein Teilring 23 muss keine gegenständliche Ausformung aufweisen.
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Die Erhebungen 21 der Leiterbahnen 14 erstrecken sich von der Hauptebene 22 aus in Axialrichtung 1, sodass die Kontaktierabschnitte 17 in einer zweiten Ebene parallel zur Hauptebene 22 liegen. Wenn die Drahtenden 19 der Wickeldrähte 16 einen Kontaktierabschnitt auf dem mittleren oder kleinsten Teilring 23 kontaktieren, dann kreuzen die Wickeldrähte 16 die Leiterbahnen 14 wenigstens des unmittelbar benachbarten Teilrings 23 ohne diesen zu berühren. Wenn das Drahtende 19 auf dem kleinsten Teilring 23 auf einem Kontaktierabschnitt 17 angeordnet wird, dann kreuzt es gemäß 2 die Leiterbahn 14 des größten Teilrings 23 und eines der beiden mittleren Teilringen 23. Wenn der mittlere Teilring 23 kontaktiert wird, wird nur der größte Teilring 23 gekreuzt. Die Kreuzung erfolgt kontaktlos, wobei sich das Drahtende 19 in der Ebene der Kontaktierabschnitte 17 erstreckt, sodass die Drahtenden von der Haupteben 22 beabstandet sind.
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Die 3 a) und 3 b) zeigen einen Schnitt durch die Kontaktierabschnitte 17 auf, wobei 3 a) einen halbbogenförmigen Kontaktierabschnitt 17 zeigt, der ein freies Ende 33 aufweist. Dazu ist die Leiterbahn 14, die sich größtenteils in einer Hauptebene 22 erstreckt, gemäß 3 a) an einem Ende 33 in Axialrichtung 1 gebogen, sodass ein gerader Abschnitt 34 ausgebildet ist, der sich bis zu einem Maximum 24 erstreckt. Das Maximum 24 ist durch eine bezüglich der Axialrichtung 1 konvexe Krümmung ausgebildet. Von dem Maximum 24 aus erstreckt sich ein weiterer gerader Abschnitt 28 zu einem Minimum 26, das bezüglich der Axialrichtung 1 näher an der Hauptebene 22 ist als das Maximum 24. Von dem Minimum 26 aus erstreck sich ein dritter gerader Abschnitt 28, der zu dem freien Ende 33 führt, das von der Hauptebene 22 weiter beabstandet ist als das Minimum 26. Auf diese Weise wird eine Senke 25 ausgebildet, in die das Drahtende 19 des Wickeldrahts 16 eingelegt wird.
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Durch ein Laserverbindungsverfahren wie Laserlöten wird der Wickeldraht 16 stoffschlüssig mit dem Kontaktierabschnitt 17 verbunden, wobei die flüssigen Bestandteile 27 der Verbindung 31 in die Senke 25 fließen solange sie flüssig sind.
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Ebenso ist in 3 b) eine Senke 25 ausgebildet in einem Minimum 26. Der Kontaktierabschnitt 17 der 3 b) ist symmetrisch, bezüglich der gestrichelten Symmetrielinie, sodass der Kontaktierabschnitt 17 zwei Maxima 24 aufweist. Der Kontaktierabschnitt 17 geht links und rechts wieder in eine Leiterbahn 14 über.
