DE102017209931A1

DE102017209931A1 - Elektrische Maschine, Stator für eine elektrische Maschine, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen

Info

Publication number: DE102017209931A1
Application number: DE102017209931.3A
Authority: DE
Inventors: Ekine Aristizabal Tolosa; Uwe Velte; Michael Huber; Benjamin Heyne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2018-12-13

Abstract

Elektrische Maschine (11), Stator (10) für eine elektrische Maschine (11), sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen, mit einem ringförmigen Statorgrundkörper (14), der radiale Statorzähne (16) aufweist, auf die elektrischen Spulen (18) mittels Wicklungsdraht (20) gewickelt sind, wobei am Statorgrundkörper (14) eine Isoliermaske (22) angeordnet ist, die den Wicklungsdraht (20) gegenüber dem Statorgrundkörper (14) isoliert, und die Isoliermaske (22) axiale Fortsätze (24) aufweist, in die Kontaktelemente (30) eingefügt sind, die Stecker-Pins (32) für die Bestromung der Spulen (18) aufweisen, wobei mehrere Spulen (18) mittels des ununterbrochenen Wicklungsdrahts (20) miteinander verbunden sind, wobei der Wicklungsdrahts (20) radial außerhalb der axialen Fortsätze (24) an diesen in Umfangsrichtung (9) geführt ist, und jedes Kontaktelement (30) mindestens ein Schweißhaken (34) aufweist, in den der Wicklungsdraht (20) beim Wickeln eingelegt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, einen Stator für eine elektrische Maschine, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Mit der DE 102012224153 A1 ist ein Stator einer elektrischen Maschine bekannt geworden, bei dem an einer Stirnseite eine Isolierlamelle und eine damit verbundenen Verschalteplatte angeordnet ist. An der Isolierlamelle sind an der äußeren Umfangsfläche umlaufende Rillen ausgeformt, in die der Vebindungsdraht zwischen einzelnen Spulen beim Wickeln eingelegt wird. Diese Ausführung hat den Nachteil, dass nach dem Wickeln der Spulen die Wicklungsdrähte nochmals mit einer separaten Verschalteplatte kontaktiert werden müssen, um die Spulen mit einem Kundenstecker zu verbinden. Außerdem weist die Isolierlamelle mit den axial nebeneinander angeordneten Rillen und die Verschaltungsplatte eine große axiale Bauhöhe auf, wodurch ein solcher Stator nicht in einen axial begrenzten Bauraum passt.
Die DE 10328720A1 zeigt einen Stator, bei dem auf jeden Statorzahn eine separate Spule mit einem losen Drahtanfang und Drahtende gewickelt ist. Diese freien Drahtenden werden mit einem separaten Verschaltungselement verbunden, das nach dem Wickeln auf den Stator aufgesetzt wird. Das Verschaltungselement weist als Stanzteile ausgebildete Leiterbahnen auf, deren Längserstreckung in Axialrichtung größer ist als deren radiale Breite. Die Herstellung eines solchen Stators ist sehr aufwändig, da die Spulen einzeln gewickelt werden und die losen Drahtenden der Spulen jeweils einzeln an die Leiterstreifen angelötete oder geschweißt werden müssen, wobei eine solche Ausführung ebenfalls eine hohe axiale Ausdehnung aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Stator, sowie die erfindungsgemäße elektrische Maschine beinhaltend einen solchen Stator, sowie das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines Stators nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass auf ringförmige einlegbare Leiterelemente zum Verbinden der einzelnen Spulen verzichtet werden kann. Durch die einzelne, isoliert einsteckbare Kontaktelemente können im gewünschten Umfangsbereich die entsprechenden Phasenanschlüsse angeordnet werden, wobei verschiedene Verschaltungsanordnungen der einzelnen Spulen mit einem ununterbrochenen Wicklungsdraht realisiert werden können. Dadurch sind nur sehr wenige Schweißverbindungen notwendig, was den Fertigungsprozess wesentlich vereinfacht. Durch die über den Umfang der Isoliermaske gewickelten Verbindungsdrähte zwischen den einzelnen Spulen kann eine separate Verschaltungsplatte vollständig entfallen. Dadurch kann ein solcher Stator sehr flach gebaut werden, wodurch er auch geeignet ist für niedrige Bauräume, beispielsweise als Förderpumpe in einem Kraftstofftank.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Ausbildungen möglich. So können beispielweise einstückig mit der Isoliermaske eine Art Dome als axiale Fortsätze ausgebildet werden, in die die Kontaktelemente der Phasenanschlüsse direkt eingesteckt werden können. Dabei dienen die Dome auch zur Führung des Wicklungsdrahts in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Spulen. Dabei kann der Wicklungsdraht vorteilhaft durch die Lücken zwischen den einzelnen Domen radial nach innen und außen geführt werden. Dabei kann der Wicklungsdraht derart radial außen um die Führungsdome herum geführt werden, dass der Anfang und das Ende einer Spule immer durch das Umwickeln der Dome unter Vorspannung bleibt. Dazu sind die Dome bevorzugt immer in Umfangsrichtung zwischen zwei Statorzähnen ausgebildet, bzw. die Lücken zwischen den Domen im Bereich des Statorzahns angeordnet.
Jedes Kontaktelement weist zumindest immer ein Schweißhaken auf, in dem der Wicklungsdraht ohne Unterbrechung zwischen den Wickeln zweier Spulen eingelegt werden kann. Besonders bevorzugt ist jedoch die Ausbildung von genau zwei Schweißhaken an einem Kontaktelement, da dadurch an diesem Kontaktelement sowohl der Drahtanfang als auch das Drahtende eines ununterbrochen durchgewickelten Wicklungsdrahts kontaktiert werden kann. Dabei ist es besonders günstig, alle Kontaktelemente identisch mit zwei Schweißhaken auszubilden, auch wenn nicht bei allen Kontaktelementen immer beide Schweißhaken genutzt werden. Wird beispielsweise ein Schweißhaken radial nach innen umgebogen und der zweite Schweißhaken radial nach außen umgebogen, weisen diese genügend Abstand auf, um die beiden Schweißverbindungen ungestört auszubilden.
An den Kontaktelementen sind vorteilhafterweise axial nach oben abstehende Stecker-Pins ausgebildet, mittels denen die einzelnen Phasen mit der Elektronik des Elektromotors verbunden werden können. Dabei sind die Steckerpins nicht auf eine Steckverbindung beschränkt, sondern können auch mit entsprechenden Kontakten der Elektronik verschweißt, verlötet oder umgeformt werden. Andererseits weisen die Kontaktelemente ein oder mehrere axiale Laschen auf, mit denen die Kontaktelemente in entsprechende Aufnahmen in den Domen eingesteckt werden. Dabei ist es besonders günstig zumindest an einer Einpresslasche Klemmelemente auszubilden, mit denen das Kontaktelement zuverlässig in den Dom verklemmt wird. Bevorzugt können an der Einpress-Lasche Rasthaken in Form einer sogenannten Tannenbaumgeometrie ausgebildet werden, die sich an der Innenwand der axialen Aussparung im Dom verhakt.
Die Kontaktelemente können sehr kostengünstig als Stanz-Biegeteil hergestellt werden, wobei die Schweißhaken-Zungen ausgestanzt werden, die einstückig mit dem Kontaktelemente verbunden sind, und axial nach oben umgebogen werden. Dadurch bildet der freie Schenkel des Schweißhakens eine zuverlässige axiale Sicherung für den eingelegten Wicklungsdraht, der bevorzugt axial gegen den Hakengrund gezogen wird. Hierzu können am Kontaktelement ohne Mehraufwand seitliche Kerben ausgestanzt werden, die als Führung für den Wicklungsdraht dienen. Wird der Wicklungsdraht dabei durch die Kerbe radial nach außen geführt, wird die axiale Position des Wicklungsdrahts derart festgelegt, dass er beim Wickeln in Umfangsrichtung um das Kontaktelement am Hakengrund des Schweißhakens anliegt.
Damit das Kontaktelement auch bei hohen Zugkräften durch den Wicklungsdraht radial zuverlässig abgestützt ist, sind zusätzlich zur mittleren Einpress-Lasche zwei weitere Stützlaschen ausgestanzt, die ebenfalls axial in den Dom eingreifen. Dadurch ist das Kontaktelement über seine gesamte Erstreckung in Umfangsrichtung gegen ein radiales Verbiegen gesichert. Dabei werden die drei Laschen zum Einpressen/Abstützen sehr einfach dadurch ausgebildet, dass zwischen diesen jeweils ein Schweißhaken ausgestanzt und umgebogen wird.
Um eine zuverlässige Einpressverbindung des Kontaktelements im Dom auszubilden, liegt zumindest die eine Einpress-Lasche in Umfangsrichtung an beiden Seiten an der Innenwand der axialen Aussparung an. Dadurch können sich die seitlichen Rasthaken an der Innenwand der Aussparung verhaken. Um diese seitliche Innenwand der Aussparung für die Rastverbindung zu realisieren, sind die beiden weiteren Aussparrungen in Umfangsrichtung beabstandet zur mittleren Aussparung ausgebildet. Weisen die beiden seitlichen Stützlaschen beispielsweise keine Rastelemente auf, können die korrespondierenden beiden äußeren Aussparungen auch in Umfangsrichtung gegenüberliegend offen ausgebildet sein. Da die Dome gleichzeitig zur Führung der Verbindungsdrähte zwischen den einzelnen Spulen dienen, ist an der axialen Endseite der Dome ein radialer Überstand nach außen und gegebenenfalls auch jeweils in Umfangsrichtung ausgebildet, um ein axiales Abrutschen des Wicklungsdrahts während des Wickelns zu verhindern.
Der erfindungsgemäße Stator eignet sich besonders zur Ausbildung einer dreiphasigen elektrischen Maschine, bei der am Stator genau drei Phasenanschlüsse als Stecker-Pins ausgebildet sind. Dabei sind die drei Stecker-Pins bevorzugt unmittelbar in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet, da dies den Anschluss zur Steuerelektronik erleichtert. Alternativ können die Stecker-Pins jedoch auch über den Umfang verteilt angeordnet werden, beispielweise in einem regelmäßigen 120°-Abstand. Dabei kann der Stator vollständig mit einem ununterbrochenen Wicklungsdraht durchgewickelt werden, wobei besonders vorteilhaft sowohl der Drahtanfang als auch das Drahtende an dem gleichen Kontaktelement kontaktiert werden.
Damit die elektrische Maschine hohen Schüttelanforderungen ausgesetzt werden kann, wird in einer bevorzugten Ausführung nach dem Wickeln und Verschweißen des Wicklungsdrahts der Wicklungsdraht bevorzugt vollständig mit einer weiteren Kunststoffmasse umspritzt. Dadurch ist die Wicklung mitsamt den Schweißverbindungen zuverlässig gegen Vibrationen und auch gegen andere Umwelteinflüsse wie Korrosion geschützt. Dabei werden vorteilhaft auch die Lücken zwischen den Domen und auch die Spalte zwischen den einzelnen Spulen vollständig umspritzt. Dabei bildet die zweite Kunststoffmasse zusammen mit der Isoliermaske einen ausreichenden Schutz für den Stator, so dass kein weiteres separates Statorgehäuse notwendig ist. Besonders günstig ist es, die zweite Kunststoffmasse im Bereich der Schweißverbindung als Sockel für die Stecker-Pins auszubilden. Diese Sockel bilden eine mechanische Stabilisierung für die Stecker-Pins, die sich axial erstrecken. Dabei kann der Sockel auch zur Halterung für ein entsprechendes Gegenelement ausgebildet werden, das die Stecker-Pins kontaktiert.
Bevorzugt weist der Stator genau zwölf Statorzähne auf, auf der jeweils eine Einzelzahnspule angeordnet ist. Bei einer dreiphasigen Ausbildung der elektrischen Maschine können hierbei beispielsweise immer genau vier Spulen ununterbrochen durchgewickelt werden, ohne mit einem Kontaktelement kontaktiert zu werden. Nach dem vollständigen Wickeln der vier in Reihe angeordneten Spulen kann dann ein Kontaktelement als Phasenanschluss kontaktiert werden, um danach die nächsten Phasen entsprechend zu Wickeln.
Besonders günstig ist es, alle Dome mit einer gleichen Grundfläche auszubilden, wobei sich nur die Dome zur Aufnahme der Kontaktelemente an deren axialen Endseite unterscheiden. Dadurch sind sowohl alle Dome als auch die in den entsprechenden Domen angeordneten axialen Aufnahmen für die Kontaktelemente alle auf dem gleichen Radius zur Statorachse angeordnet. Durch den Einpresskontakt der Kontaktelemente mittels der Einpress-Laschen sind die Kontaktelemente in den Domen mechanisch zuverlässig fixiert und elektrischen gegeneinander und zu den Blechlamellen isoliert.
Der erfindungsgemäße Stator wird in elektrischen Maschinen eingesetzt, beispielsweise in Antriebsmotoren, welche in Kraftfahrzeugen Verwendung finden. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen Innenläufermotor mit einem außen liegendem, ringförmigen Stator und einem innen liegenden Rotor. Eine elektrische Maschine mit solch einem Stator eignet sich aufgrund der besonders flachen Bauweise und der Kunststoffummantelung der stromleitenden Elemente besonders für den Einbau in den Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Förderung von Diesel aus dem Tank zum Motor.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann der Stator in einem Prozessschritt mit dem Wickeln der Spulen gleichzeitig mit den Phasenanschluss-Kontakten kontaktiert werden, ohne dass eine weitere separate Verschaltungsplatte montiert werden muss. Die Dome, die zur Führung des Wicklungsdrahts in Umfangsrichtung notwendig sind, können gleichzeitig auch für die Aufnahme der einzelnen Kontaktelemente genutzt werden. Durch das Anspritzen sowohl der Isolierlamelle mit den Domen, als auch des weiteren Kunststoffkörpers nach dem Verschweißen des Wicklungsdrahts mit den Schweißhaken, kann die Anordnung und Geometrie der Phasenanschluss-Kontakte leicht an die Kundenanforderungen angepasst werden. Durch das Einlegen des Wickelungsdrahts in die Schweißhaken an der radialen Außenseite und/oder in die Innenseite der Kontaktelemente, können die Schweißelektroden vorteilhaft den Schweißhaken in radialer Richtung gegen das Kontaktelement pressen, wodurch der Wicklungsdraht zuverlässig vom Schweißhaken umschlossen wird. Das radiale Zusammenpressen der beiden Elektroden gegeneinander ist aufgrund des vorhandenen radialen Montageraums wesentlich einfacher, als eine Verspannung der Elektroden in Umfangsrichtung, da hier gleich die nächsten Schweißkontakte angeordnet sind.
Da die elektrische Kontaktierung der Spulen vollständig auf einer ersten Stirnseite des Stators realisiert wird, sind auf der gegenüberliegenden zweiten Stirnseite keine elektrischen Kontakte mit Leiterelementen notwendig. Dadurch kann die Wicklung besonders vorteilhaft mittels einer Nadelwickelmaschine ausgeführt werden, bei der die Nadel axial durch den ringförmigen Stator hindurchgeführt wird. Dabei kann der Wickeldraht an der ersten Stirnseite direkt radial außen um die Dome herum geführt und in die Schweißhaken eingelegt werden. Legt die Wickelnadel den Wickeldraht direkt in die seitlich am Kontaktelement ausgesparten radialen Kerben ein, wird dadurch der Wicklungsdraht vorteilhaft besonders tief axial in den Schweißhaken hineingezogen, so der Wicklungsdraht straff gespannt zuverlässig für einer guten Schweißverbindung positioniert ist.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1- 3 Verschiedene Verfahrensschritte beim Herstellen eines erfindungsgemäßen Stators,
4 eine Schnittdarstellung eines Kontaktelements im eingebauten Zustand gemäß 1,
5 eine Detailansicht der Kontaktierung des Wicklungsdrahts,
6 ein weiteres Beispiel eines unbewickelten Stators, und
7 ein Wickelschema eines weiteren Ausführungsbeispiels.

In 1 ist ein Stator 10 dargestellt, wie er beispielsweise in elektrischen Maschinen 11, insbesondere einem elektrisch kommutierten Elektromotor verwendet wird. Der Stator 10 weist einen ringförmigen Statorgrundkörper 14 auf, der sich aus einzelnen axial geschichteten Lamellenblechen 40 zusammensetzt. Dabei erstrecken sich vom Statorgrundkörper 14 in Radialrichtung 8 nach innen Statorzähne 16, die einteilig mit den jeweiligen ringförmigen Lamellenblechen 40 ausgebildet sind. Am radial äußeren Rand 42 weist der Statorgrundkörper 14 Aufnahmeöffnungen 44 für Verbindungselemente auf, mit denen der Stator 10 beispielsweise im Kraftfahrzeug befestigt werden kann. Die Lamellenbleche 40 sind beispielsweise als Stanzbleche ausgebildet, die einen geschlossenen Ring bilden, an dem die Aufnahmeöffnungen 44 einstückig ausgeformt sind. Auf dem Statorgrundkörper 14 ist an einer ersten Stirnseite 41 eine Isoliermaske 22 angeordnet, die näherungsweise die gesamte axiale Fläche der Lamellenbleche 40 abdeckt. Die Isoliermaske 22 erstreckt sich hier auch in Axialrichtung 7 entlang der Statorzähne 16. Ebenso ist die gegenüberliegende Stirnseite 43 mit der Isoliermaske 22 bedeckt, wobei im Ausführungsbeispiel der 1 die Isoliermaske 22 einstückig als Umspritzung des Statorgrundkörpers 14 ausgebildet ist. In einer alternativen Ausführung kann die Isoliermaske 22 jedoch auch als separat hergestelltes Bauteil ausgebildet sein, bei dem insbesondere zwei separate Teile jeweils axial auf die erste und zweite Stirnseite 41, 43 des Statorgrundkörpers 14 gefügt werden.
An der ersten Stirnseite 41 der Isoliermaske 22 sind als axiale Fortsätze 24 einzelne Dome 26 ausgebildet. Zwischen den einzelnen Domen 26 sind in Umfangsrichtung 9 jeweils Lücken 27 ausgebildet, durch die der Wicklungsdraht 20 nach dem Wickeln einer Spule 18 auf einem Statorzahn 16 radial nach außen geführt werden kann. Die Dome 26 werden bevorzugt mit der Isoliermaske 22 einstückig an den Statorgrundkörper 14 angespritzt. Dazu sind die Dome 26 bevorzugt innen hohl ausgebildet, so dass beim Spritzgießen ein Werkzeug axial in den Hohlraum der Dome eingreifen kann, um die einzelnen Lamellenbleche 40 axial gegeneinander zu verpressen. An einer axialen Endseite 46 der Dome 26 ist ein radialer Überstand 48 angeformt, der die Wicklungsdrähte 20, die an der radialen Außenseite 49 der Dome 26 in Umfangsrichtung 9 geführt werden, axial sichert. An einigen der Dome 26 ist an deren axialer Endseite 46 eine axiale Aussparung 50 ausgeformt, in die separat ausgebildete Kontaktelemente 30 einsteckbar sind, wie dies in 2 dargestellt ist. Beispielsweise sind diese axiale Aufnahmen 50 dreiteilig ausgebildet, mit einem bezüglich der Umfangsrichtung 9 mittleren Schlitz 52 und in beide Umfangsrichtungen 9 jeweils einen benachbarten Schlitz 53, die an die spezielle Geometrie der einsteckbaren Kontaktelemente 30 angepasst sind.
In 2 ist nun ein gewickelter Statorgrundkörper 14 dargestellt, der beispielsweise zwölf Statorzähne 16 und zwölf an die Isoliermaske 22 angeformte Dome 26 aufweist. Dabei weisen genau drei Dome 26 axiale Aussparungen 50 für die Kontaktelemente 30 auf. Der Wicklungsdraht 20 ist bei dieser Ausführung ununterbrochen durchgewickelt, wobei jeweils auf einem Statorzahn 16 genau eine Spule 18 angeordnet ist. Die in die Dome 26 eingesteckten Kontaktelemente 30 sind elektrisch gegeneinander isoliert und weisen jeweils Schweißhaken 34 auf, in die der Wicklungsdraht 20 beim Wickeln eingelegt wird. So wird ein Drahtanfang 55 des Wicklungsdrahts 20 an einem Kontaktelement 30 festgelegt, und danach eine erste Spule 18 beispielweise mittels Nadelwickeln auf einen ersten Statorzahn 14 gewickelt. Danach wird der Wicklungsdraht in Radialrichtung 8 nach Außen geführt und an der radialen Außenseite 49 eines oder mehrerer Dome 26 in Umfangsrichtung 9 geführt. Beispielsweise werden genau vier Spulen 18 nacheinander in Reihe durchgewickelt und bilden eine erste Phase U. Hierbei sind die einzelnen Spulen 18 einer Phase U gleichmäßig über den Umfang verteilt, so dass in Umfangsrichtung 9 jeder dritte Statorzahn 16 bewickelt wird. Nachdem die erste Phase U fertig gewickelt ist, wird der Wicklungsdraht 20 am Schweißhaken 34 eines nächsten Kontaktelements 30 eingelegt und ununterbrochen die zweite Phase V gewickelt. Dabei werden wiederum vier Spulen 18 hintereinander in Serie gewickelt, wobei die Verbindungsdrähte 21 zwischen den einzelnen Spulen 18 wiederum an den axialen Außenseiten 49 der Dome 26 geführt werden. Nach dem fertigen Wickeln der zweiten Phase V wird der Wicklungsdraht 20 mit dem dritten Kontaktelement 30 kontaktiert und anschließend die dritte Phase je mit vier in Reihe angeordneter Spulen 18 gewickelt. Nach dem fertigen Wickeln der drei Phasen U, V, W wird das Drahtende 56 an einem zweiten Schweißhaken 34 des Kontaktelements 30 eingelegt, an dem auch der Drahtanfang 56 angeordnet ist. Die Kontaktelemente 30 weisen jeweils einen Stecker-Pin 32 auf, über die dann die elektrische Phasen U, V, W mit einer Steuerelektronik verbunden werden können. Nach dem fertigen Bewickeln des Stators 10 werden die eingelegten Wicklungsdrähte mit den Kontaktelementen 30 verschweißt.
Danach wird der bewickelte Stator 10 mit einer weiteren Kunststoffmasse 70 umspritzt, wie dies in 3 dargestellt ist. Dabei werden sowohl die umwickelten Statorzähne 16 als auch der Wicklungsdraht 20 zwischen den Domen 26 und radial außerhalb der Dome 26 vollständig umspritzt. Dabei werden auch die Schweißverbindungen zwischen den Wicklungsdrähten 20 und den Schweißhaken 34 umspritzt. Von den Kontaktelementen 30 ragen nur die Stecker-Pins 32 axial aus der zweiten Kunststoffumspritzung 70 heraus. Im Bereich der Schweißhaken 34 sind Sockel 60 für die Stecker-Pins 32 ausgebildet, die die axialen Enden der Steckerpins 32 mechanisch stabilisieren. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Stecker-Pins 32 als einfache Flach-Pins ohne Abwinkelungen ausgebildet, auf die axial ein nicht dargestellter Phasen-Anschluss für die Stromversorgung gefügt werden kann. Dabei können die Sockel 60 als Gegenstück für ein Gegenstecker für die Stecker-Pins 32 ausgebildet sein, die die Phasenanschlüsse U, V, W bilden. Die Stecker-Pins 32 können jedoch auch wiederum mittels einer Schweißverbindung mit einer Elektronikeinheit der elektrischen Maschine 11 verbunden werden, wobei die Elektronikeinheit bevorzugt axial auf die zweite Kunststoffumspritzung 70 gefügt wird. Durch die zweite Kunststoffumspritzung 70 sind die Wicklungsdrähte 20 auch gegen hohe Schüttelbelastung zuverlässig mechanisch fixiert und elektrisch gegeneinander isoliert. Dabei kann die zweite Kunststoffumspritzung 70 ein weiteres separates Statorgehäuse ersetzen. Die radiale Innenseite der Statorzähne 16 ist nicht umspritzt und dient in diesem Ausführungsbeispiel zur Aufnahme einer nicht dargestellten Lagerhülse eines Rotors. Die Lagerhülse ist beispielweise aus Kunststoff hergestellt und wird axial mit den radialen Enden der Statorzähne 16 verpresst. Dabei ist sowohl die Isoliermaske 22, als auch die zweite Kunststoffumspritzung 70 radial gegenüber den radialen Innenseiten der Statorzähne 16 leicht zurückgesetzt, so dass die Lagerhülse des Rotors definiert an den Statorzähnen 16 anliegt.
In 4 ist der Schnitt durch einen Stator 10 entlang eines Kontaktelements 30 dargestellt mit Blick in Radialrichtung 8. Am axial oberen Ende des Kontaktelements 30 ist der Stecker-Pin 32 angeordnet, der aus der zweiten Umspritzung 70 in Axialrichtung 7 herausragt. Das Kontaktelement 30 ist bei dieser Ausführung als Stanzbiegeteil ausgebildet, das axial gegenüberliegend zum Stecker-Pin 32 eine Einpress-Lasche 36 aufweist. Die Einpress-Lasche 36 wird in den mittleren Schlitz 52 der axialen Aussparung 50 des Doms 26 axial eingepresst. Dazu sind an der Einpress-Lasche 36 seitlich Rasthaken 37 ausgebildet, beispielweise beidseitig in Form einer Tannbaumgeometrie. Mit diesen Rasthaken 37 verklemmt sich das Kontaktelement 30 in der axialen Aussparung 50. In Umfangsrichtung 9 jeweils benachbart zur Einpress-Lasche 36 ist jeweils ein Schweißhaken 34 ausgebildet. Dazu wird jeweils eine frei geschnittene Lasche in Axialrichtung 7 nach oben umgebogen, so dass der Schweißhaken 34 ein axial freies Ende 35 und einen Hakengrund 33 aufweist, an dem die freie Lasche umgebogen ist. Dabei können die Schweißhaken 34 beispielsweise radial nach innen oder radial nach außen umgebogen werden. In einer bevorzugten Ausführung ist jeweils ein Schweißhaken 34 radial nach innen und der andere Schweißhaken 34 radial nach außen umgebogen, wie dies beispielweise in 5 dargestellt ist. Bezüglich der Umfangsrichtung 9 sind an beiden Seiten des Kontaktelements 30 durch die Freisparung der Schweißhaken 34 jeweils eine Stützlasche 39 ausgebildet, die ebenfalls in die axialen Aussparungen 50 des Doms 26 eingreifen. Dazu sind in diesem Ausführungsbeispiel die beiden benachbarten Schlitze 53 beabstandet zum mittleren Schlitz 52 als axiale Aufnahmen 50 ausgebildet. Somit greift das Kontaktelement 30 mit der Einpress-Lasche 36 und den beiden Stützlaschen 38 axial in den Dom 26 ein, und ist in diesem verklemmt. Dabei ist zwischen dem obersten Lamellenblech 40 des Statorgrundkörpers 14 und dem Kontaktelement 30 noch eine Isolationsschicht der Isolationsmaske 22 angeordnet. Damit der Wicklungsdraht 20 zuverlässig in Hakengrund 33 des Schweißhakens 34 anliegt, sind am Kontaktelement 30 an beiden Seiten bzgl. der Umfangsrichtung 9 Kerben 38 zur axialen Positionierung des Wicklungsdrahts 20 ausgebildet. Wird beispielweise auf der linken Seite der Wicklungsdraht 20 durch die linke Kerbe 38 radial nach außen geführt und in Umfangsrichtung 9 radial außen am Kontaktelement 30 entlanggeführt, liegt der Wicklungsdraht 20 genau am Hakengrund 33 des radial nach außen gebogenen Schweißhakens 34 an. Durch die Kerbe 38 auf der rechten Seite, wird der Wicklungsdraht 20 beispielsweise wieder radial nach innen geführt, um die nächste Phase U, V, W zu wickeln. Ebenso ist ersichtlich, dass der Dom 26 Führungsrillen 28 auf axial unterschiedlichen Ebenen aufweist, in denen der Verbindungsdraht 21 zwischen den einzelnen Spulen 18 radial durch die Lücken 27 zwischen den Domen 26 nach außen und innen geführt werden, um den Verbindungsdraht 21 an der radialen Außenseite 29 der Dome 26 in Umfangsrichtung 9 zu führen.
Dies ist in einer Detailansicht in 5 dargestellt, bei der die Dome 26 beispielweise drei benachbarte Führungsrillen 28 in drei unterschiedlichen axialen Ebenen aufweisen. Die Führungsrillen 28 erstrecken sich in Umfangsrichtung 9 an der Außenseite 49 der Dome 26 und können sich optional auch in Radialrichtung 8 als radiale Rillen 29 entlang der Lücken 27 zwischen den Domen 26 fortsetzen. Werden beispielsweise die Phasen U, V, W mit jeweils vier in Reihe gewickelten einzelnen Spulen 18 ausgebildet, sind jeweils vier Spulen 18 durch die in den Führungsrillen 28 geführten Verbindungsdrähte 21 ununterbrochen miteinander verbunden. Für jede Phase wird der Wicklungsdraht 20 in einer axialen Ebene der Führungsrillen 28 über den ganzen Umfang geführt. Dadurch ergeben sich für die drei Phasen U, V, W jeweils genau eine axiale Ebene, die durch die entsprechenden Führungsrillen gebildet wird. Damit die Verbindungsdrähte 21 axial nicht abrutschen, ist oberhalb der Führungsrillen 28 der radiale Überstand 48 an der axialen Endseite 46 der Dome 26 als axiale Sicherung ausgebildet. Die Lücken 28 zwischen den Domen 26 sind in Umfangsrichtung 9 im Bereich der Statorzähne 16 angeordnet, so dass der Wicklungsdraht 20 zwischen zwei Spulen 18 jeweils immer in Umfangsrichtung 9 in der Lücke 27 am Dom 26 anliegt. Der Stator 10 wird bevorzugt mittels Nadelwickeln bewickelt, wobei die Wickelnadel während dem Wickeln einer Spule 18 radial nach außen gerichtet ist, und beispielweise beim Wickeln der Verbindungsdrähte 21 radial außen um die Dome 26 herum etwa 90° verkippt wird, um den Wicklungsdraht 20 axial von oben um die Dome 26 herum legen zu können. Im Ausführungsbeispiel der 5 wird der Wicklungsdraht 20 ebenfalls zur Kontaktierung der Kontaktelemente 30 radial außen um die Kontaktelemente 30 herumgeführt und dabei gleichzeitig in die radial nach außen gebogenen Schweißhaken 34 eingelegt. Dabei ist am rechten Kontaktelement 30 beispielweise ein Drahtanfang 55 des Wicklungsdrahts 20 am radial äußeren Schweißhaken 34 eingelegt und das Drahtende 56 am gleichen Kontaktelement 30 an dem radial nach innen gebogenen Haken (in 5 nicht sichtbar). Alternativ kann jedoch die Kontaktierung zwischen der einzelnen Phasen U, V, W auch durch radial nach innen gebogene Schweißhaken 34 realisiert werden. Bei der Ausbildung der rotationssymmetrischen Kontaktelemente 30 in 5 können diese auch um 180° um die Axialrichtung 7 gedreht in die Dome 26 eingesteckt werden, ohne dass sich dadurch die Anordnung der beiden Schweißhaken 34 radial nach außen und radial nach innen ändert.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stators 10 bevor dieser bewickelt wird - entsprechend 1. An der radialen Außenseite 49 der Dome 26 sind die Führungsrillen 28 zu erkennen. Anstelle der drei axialen Ebenen in 5 weisen hier die Dome 26 mit den Aussparungen 50 für die Kontaktelemente 30 eine vierte axiale Ebene mit einer weiteren vierten Führungsrille 28 auf. Die unteren drei Rillen 28 dienen der Führung des Wicklungsdrahts 20 für die drei Phasen U, V, W. Die oberste (vierte) axiale Führungsrille 58 dient dazu, den Wicklungsdraht 20 radial abzustützen, wenn er in die Schweißhaken 34 der Kontaktelemente 30 eingelegt wird. Dabei wird der Wicklungsdraht 20, der hierbei als Verbindungsdraht 21 zwischen zwei Spulen 18 dient, einmal zusätzlich in der vierten Führungsrille 58 um den Führungsdom 26 gewickelt, bevor oder danach dieser in den Schweißhaken 34 eingelegt wurde. Dabei ist an der axialen Endseite 46 dieser Dome 26 eine Umlenkgeometrie 54 ausgeformt, um auch dickere Drahtquerschnitte von dem Kontaktelement 30 direkt mit engem Radius in die oberste Führungsrille 58 einzuführen. Die Umlenkgeometrie 54 weist einen axialen Ausschnitt 59 auf, durch den der Wicklungsdraht 20 axial nach unten entlang einer Schräge 57 in die oberste Führungsrille 58 geführt wird. In 6 weist der rechte Dom 26 mit Aussparungen 50 schräge Führungsrillen 28 auf, da hier der Wechsel der axialen Ebenen zwischen den einzelnen Phasen stattfindet. Dabei ist an diesem Dom 26 der Drahtanfang 55 und das Drahtende 56 am Kontaktelement 30 kontaktiert. Dazu wird beispielsweise der Drahtanfang 55 mit einer zusätzlichen Wicklung um den Dom 26 mit dem Kontaktelement 30 in der obersten Führungsrille 58 radial abgestützt. Für die radiale Abstützung des Drahtendes 56 weist auch der benachbarte Dom 26, der keine Aussparung 50 für ein Kontaktelement 30 aufweist, eine zusätzliche vierte Führungsrille 58 auf, in die das Drahtende 56 vor dem Einlegen in den Schweißhaken 34 eingelegt wird. Zur Führung des Wickeldrahts 20 in Radialrichtung 8 sind an den Domen 26 die radialen Rillen 29 ausgeformt, die entsprechend der axialen Ebene der Führungsrillen 28 angeordnet sind, aus denen der Wicklungsdraht 20 radial nach innen oder nach außen geführt wird. Damit der Wicklungsdraht 20 noch besser gesichert ist, wenn dieser zum Bewickeln der Statorzähne 16 axial nach unten gezogen wird, sind unter den radialen Rillen 29 Stützstege 69 angeformt, deren axiale Höhe bevorzugt bis an die radiale Rillen 29 heran reicht. Daher weisen die Stützstege 69 für die verschiedenen Phasen U, V, W unterschiedliche axiale Längen auf, die bis zu der entsprechenden axialen Ebene der einzelnen Phasen heranreicht. Solche radiale Rillen 29 und Stützstege 69 sind optional auch in der Ausführung gemäß 1 ausgebildet.
In 7 ist ein Wickelschema für ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators 10 dargestellt, der nur sechs Statorzähne 16 aufweist. Dabei sind wiederum drei Phasen U, V, W nacheinander mit einem ununterbrochenen Wickeldraht 20 durchgewickelt. Im Unterschied zu 2 sind hier anstelle von vier Spulen 18 nur zwei Spulen 18 direkt hintereinander in Reihe gewickelt. Der Verbindungsdraht 21 zwischen den einzelnen Spulen 18 wird an der radialen Außenseite 49 in Umfangsrichtung 9 um die Dome 26 herumgeführt. Die drei Stecker-Pins 32 der drei Kontaktelemente 30 bilden die drei Phasenanschlüsse, wobei zumindest das Kontaktelement 30 für die U-Phase zwei Schweißhaken 34 aufweist, um den Drahtanfang 55 und das Drahtende 56 des ununterbrochenen Wicklungsdrahtes 20 zu kontaktieren. Beide Schweißhaken 34 sind dabei einstückig mit dem Stecker-Pin 32 der U-Phase ausgebildet. In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Stator 10 jeweils eine Dreiecksschaltung auf, wobei die Spulen 18 jeweils seriell gewickelt sind. Mittels dem gleichen Prinzip der Kontaktelemente 30 kann jedoch auch eine Sternschaltung realisiert werden, bei der die Spulen 18 anstelle seriell auch parallel zueinander verschaltet werden.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung, die Anordnung und Anzahl der Spulen 18, sowie die Ausbildung und Anzahl der Dome 26 entsprechend variiert werden. Die Kontaktelemente 30 können unmittelbar in eine einstückig angespritzte Isolationsmaske 22 oder in eine separat gefertigte Isolation eingesetzt werden, die auf den Statorgrundkörper 14 aufgesetzt wird. Ebenso kann die Lage und Ausbildung der Stecker-Pins 32 und der Schnittstelle zur Elektronikeinheit den Anforderungen der elektrischen Maschine 11 und den Fertigungsmöglichkeiten angepasst werden. Mittels der erfindungsgemäßen Kontaktelementen 30 können unterschiedliche Verschaltungen realisiert werden, beispielsweise eine Dreiecks- oder eine Sternschaltung, wobei die einzelnen Spulen 18 parallel oder seriell zueinander gewickelt werden können. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für den Antrieb einer Kraftstoff-Förderpumpe, insbesondere zur Förderung von Diesel in einem LKW-Tank, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012224153 A1 [0002]
DE 10328720 A1 [0003]

Claims

Stator (10) für eine elektrische Maschine (11), mit einem ringförmigen Statorgrundkörper (14), der radiale Statorzähne (16) aufweist, auf die elektrische Spulen (18) mittels Wicklungsdraht (20) gewickelt sind, wobei am Statorgrundkörper (14) eine Isoliermaske (22) angeordnet ist, die den Wicklungsdraht (20) gegenüber dem Statorgrundkörper (14) isoliert, und die Isoliermaske (22) axiale Fortsätze (24) aufweist, in die Kontaktelemente (30) eingefügt sind, die Stecker-Pins (32) für die Bestromung der Spulen (18) aufweisen, wobei mehrere Spulen (18) mittels des ununterbrochenen Wicklungsdrahts (20) miteinander verbunden sind, wobei der Wicklungsdraht (20) radial außerhalb der axialen Fortsätze (24) an diesen in Umfangsrichtung (9) geführt ist, und jedes Kontaktelement (30) mindestens einen Schweißhaken (34) aufweist, in den der Wicklungsdraht (20) beim Wickeln eingelegt ist.
Stator (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Fortsätze (24) als in Umfangsrichtung (9) beabstandete Dome (26) ausgebildet sind, die insbesondere zwischen den Statorzähnen (16) angeordnet sind, und zumindest ein Teil der Dome (26) eine axiale Aussparung (50) zur Aufnahme der Kontaktelemente (30) aufweist.
Stator (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kontaktelement (30) genau zwei Schweißhaken (34) angeformt sind, in die ein Drahtanfang (55) und ein Drahtende (56) des Wickeldrahts (20) eingelegt und festgeschweißt ist, wobei insbesondere ein erster Schweißhaken (34) radial innen und ein zweiter Scheißhaken (34) radial außen - vorzugsweise rotationssymmetrisch zur Axialrichtung (7) - angeordnet ist.
Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem axial oberen Ende des Kontaktelements (30) der Stecker-Pin (32) angeformt ist, und axial gegenüberliegend eine Einpress-Lasche (36) angeformt ist, die vorzugsweise Rasthaken (37) - beispielsweise eine Tannenbaumgeometrie - aufweist, mit der sich die Einpress-Lasche (36) in der axialen Aussparung (50) verklemmt.
Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißhaken (34) axial nach oben hin offen ausgebildet sind und der Wickeldraht (20) axial nach unten in den Hakengrund (33) des Schweißhakens (34) eingefügt ist, wozu insbesondere an den beiden Seiten des Kontaktelements eine radial durchgehende Kerbe (38) ausgeformt ist, in die der Wicklungsdraht (20) eingreift, um diesen axial gegen den Hakengrund (33) zu ziehen.
Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der Umfangsrichtung (9) beidseitig der Einpress-Lasche (36) die beiden Schweißhaken (34) als ausgestanzte Biegelaschen axial nach oben gebogen sind, und bezüglich der Umfangsrichtung (9) außerhalb der Schweißhaken (34) jeweils eine Stützlasche (39) angeformt ist, die insbesondere ebenfalls axial in den Dom (26) eingreift, um das Kontaktelement (30) radial abzustützen.
Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dome (26), in denen ein Kontaktelement (30) eingefügt ist, als Aussparung (50) bezüglich der Umfangsrichtung (9) einen mittleren axialen Schlitz (52) für die Einpress-Lasche (36) und zwei äußere Schlitze (53) für die Stützlaschen (39) aufweisen, und die Dome (26) insbesondere an der axial oberen Seite (46) einen radialen Überstand (48) und an der radialen Außenseite (49) Führungsrillen (28) für die Führung der Wicklungsdrähte (20) zwischen den Spulen (18) in Umfangsrichtung (9) aufweisen.
Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung von genau drei elektrischen Phasen (U, V, W) genau drei Kontaktelemente (30) in jeweils einen Dom (26) eingefügt sind, wobei nur an einem einzigen Kontaktelement (30) beide Schweißhaken (34) mit dem Wicklungsdraht (20) verschweißt sind, wobei vorzugsweise alle Spulen (18) mit dem einzigen ununterbrochenen Wickeldraht (20) durchgewickelt sind.
Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (30) nach dem Verschweißen der Wicklungsdrähte (20) mit den Schweißhaken (34) mit einem weiteren Kunststoff (70) umspritzt sind, insbesondere derart, dass der weitere Kunststoff (70) einen Sockel (60) für die drei in benachbarten Domen (26) angeordneten Stecker-Pins (32) bildet - wobei vorzugsweise die Wicklungsdraht (20) vollständig umspritzt ist.
Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsdraht (20) an den Domen (26) mit den Kontaktelementen (30) vor oder nach dem Kontaktieren mit den Kontaktelementen (30) zusätzlich radial außen um den Dom (26) - insbesondere in einer zusätzlichen obersten Führungsrille (58) - gelegt ist, um den Wicklungsdraht (20) radial abzustützen, wobei der Wicklungsdraht (20) bevorzugt in einer radialen Rille (29) in Radialrichtung (8) zu den Statorzähnen (16) geführt ist.
Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an genau zwölf Statorzähnen (16) jeweils genau eine Spule (18) gewickelt ist, wobei jeweils vier Spulen (18) ohne Zwischenkontaktierung zur Bildung einer Phase (U, V, W) durchgewickelt sind.
Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (30) - vorzugsweise deren Stecker-Pins (32) - alle auf dem gleichen radialen Umfang im radialen Bereich der axialen Fortsätze (24) angeordnet sind und durch die Isoliermaske (22) - die insbesondere auf den Statorgrundkörper (14) aufgespritzt ist - gegeneinander isoliert sind.
Elektrische Maschine (11), insbesondere ein elektronisch kommutierter Motor, mit einem Stator (10) nach einem der Ansprüche 1-12, in den ein Permanentmagnete aufweisender Rotor eingesetzt ist, wobei die elektrische Maschine (11) insbesondere eine Vorförderpumpe für Kraftstoff im Kraftfahrzeug antreibt.
Verfahren zum Herstellen eines Stators (10), insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Umspritzen eines radiale Statorzähne (16) aufweisenden Statorgrundkörpers (14) zur Ausbildung einer Isoliermaske (22) mit axialen Domen (26), - Einfügen von elektrisch gegeneinander isolierten Kontaktelementen (30) in die Isoliermaske (22), - Wickeln der Spulen (18) auf die Statorzähne (16), wobei der Wicklungsdraht (20) zwischen dem Wickeln der einzelnen Spulen (18) radial um die Dome (26) herum gelegt wird, - Kontaktieren des Wicklungsdrahts (20) mit einem der Kontaktelemente (30) jeweils nachdem eine Phase (U, V, W) mit mehreren Spulen (18) vollständig fertig gewickelt ist, - Vorzugsweise Umspritzen des Wicklungsdrahts (20) mit einem weiteren Kunststoff (70) nach dem elektrischen Kontaktieren des Wicklungsdrahts (20) mit den Kontaktelementen (30).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wickeln der Spulen (18) mittels Nadelwickeln ausgeführt wird, wobei die Wickelnadel nach der Fertigstellung einer ersten Phase (U, V, W) den Wicklungsdraht (20) direkt in den Hakengrund (33) eines Schweißkontakts (34) des Kontaktelements (30) ablegt, und anschließend ohne Unterbrechung des Wicklungsdrahts (20) die nächste Phase (V, W, U) gewickelt wird, wobei insbesondere an einem einzigen Kontaktelement (30) der einzige Drahtanfang (55) und das einzige Drahtende (56) des Wicklungsdrahts (20) elektrisch kontaktiert - vorzugsweise festgeschweißt - wird.