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Die vorliegende Erfindung betrifft den Wechsel von Halbebenen von Stabwicklungen, Formspulen und Hairpinwicklungen eines Elektromotors.
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Ein Trend bei der Herstellung von Elektromotoren, insbesondere bei Elektromotoren für Kraftfahrzeuge, ist die Verwendung von Leiterstäben mit in der Regel rechteckigem Querschnitt anstatt konventioneller, dünner, runder Drähte. Die Wicklung wird aus einzelnen Segmenten gelegt und geschweißt. Ein besonderer Vorteil ist dabei ein hoher Füllgrad der Nuten der Statoren der Elektromotoren mit Kupfer und damit einhergehend ein geringer ohmscher Widerstand der Wicklung. Weiterhin erlaubt die Verwendung von Leiterstäben eine weitgehend automatisierte Fertigung. Die Leiterstäbe werden üblicherweise in mehreren Ebenen in den Nuten angeordnet.
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Beim Verbinden der Leiterstäbe am Wickelkopf gilt es insbesondere darauf zu achten, dass der Wickelkopf möglichst klein gestaltet wird. Dies spart Bauraum, Gewicht und Material.
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Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Leiterstäbe nicht einfach als parallele Ebenen in den Nuten angeordnet, die Leiter werden vielmehr in Halblagen verflochten, was gerade an den Schweiß- und Biegestellen im Wickelkopf Platz spart und ein überschneidungsloses Aneinandervorbeiführen der Halblagen ermöglicht. Das Verflechten führt dazu, dass die Halblagen in einem Zick-Zack-Muster um den Stator verlaufen und dabei gegenseitig von durchlaufener Nute zu durchlaufener Nute die Ebene tauschen.
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Ein Problem bei der beschriebenen Anordnung der elektrischen Leiter im Stator ist, dass ein Wechsel zwischen den Halblagen nicht direkt möglich ist. Die elektrischen Leiter zweier benachbarter Halblagen treffen sich an keinem Wickelkopf, vielmehr liegen sie stets auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Stators. Dieser Wechsel ist jedoch häufig dringend benötigt. Durch die Mehrzahl von Ebenen in der Nut entstehen dort viele unabhängige Stränge pro Phase, welche seriell oder parallel verschaltet werden müssen.
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Prinzipiell könnte man für einen Wechsel der Halblagen die zu verbindenden Halblagen in axialer Richtung des Stators aus dem Wickelkopf herausstehen lassen und an der entsprechenden Stelle zum Verbinden wieder einfädeln. Allerdings benötigt diese Lösung sehr viel Bauraum in axialer Richtung, da sie den Wickelkopf deutlich verlängert. Weiterhin müssen hierbei spezielle Leiterstücke angepasst und hergestellt werden. Zudem findet der Wechsel der Ebenen der Halblagen an einer Stirnseite des Stators vorteilhafterweise jeweils in eine Richtung statt. Die Richtungen des Wechsels der Ebenen zweier direkt benachbarter Halblagen sind dabei entgegengesetzt. Ein Beibehalten der Richtungen des Wechsels der Ebenen der jeweiligen Halblagen ist zu Gunsten eines baurausparenden Wickelkopfes wünschenswert.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Anordnung von elektrischen Leitern in einem Stator eines Elektromotors bereitzustellen, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und eine Möglichkeit zum platzsparenden Wechsel von Halblagen bietet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Anordnung von elektrischen Leitern in einem Stator eines Elektromotors,
wobei die elektrischen Leiter in einer ersten Halblage und einer zweiten Halblage angeordnet werden, wobei die erste Halblage zumindest teilweise in einer axialen Richtung des Stators in einem ersten Teilbereich einer ersten Nut des Stators angeordnet wird und die zweite Halblage zumindest teilweise in der axialen Richtung des Stators in einem zweiten Teilbereich der ersten Nut des Stators angeordnet wird, wobei die erste Halblage zumindest teilweise in der axialen Richtung des Stators in einem zweiten Teilbereich einer zweiten Nut des Stators angeordnet wird und die zweite Halblage zumindest teilweise in der axialen Richtung des Stators in einem ersten Teilbereich der zweiten Nut des Stators angeordnet wird, wobei der erste Teilbereich der ersten Nut näher an einem Rotor des Elektromotors angeordnet ist als der zweite Teilbereich der ersten Nut, wobei der erste Teilbereich der zweiten Nut näher an einem Rotor des Elektromotors angeordnet ist als der zweite Teilbereich der zweiten Nut, wobei die erste Halblage und die zweite Halblage in einem Wickelkopf des Stators von der ersten Nut zur zweiten Nut geführt werden, wobei die erste Halblage zumindest teilweise in der axialen Richtung des Stators in einem ersten Teilbereich einer weiteren ersten Nut des Stators angeordnet wird und die zweite Halblage zumindest teilweise in der axialen Richtung des Stators in einem zweiten Teilbereich der weiteren ersten Nut des Stators angeordnet wird, wobei die erste Halblage zumindest teilweise in der axialen Richtung des Stators in einem zweiten Teilbereich einer weiteren zweiten Nut des Stators angeordnet wird und die zweite Halblage zumindest teilweise in der axialen Richtung des Stators in einem ersten Teilbereich der weiteren zweiten Nut des Stators angeordnet wird, wobei der erste Teilbereich der weiteren ersten Nut näher an dem Rotor des Elektromotors angeordnet ist als der zweite Teilbereich der weiteren ersten Nut, wobei der erste Teilbereich der weiteren zweiten Nut näher an dem Rotor des Elektromotors angeordnet ist als der zweite Teilbereich der weiteren zweiten Nut, wobei die erste Halblage und die zweite Halblage in dem Wickelkopf des Stators von der ersten weiteren Nut zur weiteren zweiten Nut geführt werden, wobei von in der ersten Nut und der zweiten Nut angeordneten elektrischen Leitern sowie von elektrischen Verbindungen zwischen den in der ersten Nut und der zweiten Nut angeordneten elektrischen Leitern ein erster magnetischer Pol gebildet wird, wobei von in der weiteren ersten Nut und der weiteren zweiten Nut angeordneten elektrischen Leitern sowie von elektrischen Verbindungen zwischen den in der weiteren ersten Nut und der weiteren zweiten Nut angeordneten elektrischen Leitern ein zweiter magnetischer Pol gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halblage im Bereich des ersten magnetischen Pols und die zweite Halblage im Bereich des zweiten magnetischen Pols an einer Sprungstelle des Wickelkopfes durch eine Hilfslage elektrisch miteinander verbunden werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den platzsparenden Wechsel der Halblage. Die dazu eingeführte Hilfslage wird vorzugsweise auf der innersten oder äußersten Bahn der elektrischen Leiter am Wickelkopf angebracht. Innen und außen beziehen sich dabei auf den Stator, wobei innen und außen im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass ein innerer Bereich näher am Rotor liegt als ein äußerer Bereich. Für die Hilfslage wird der elektrische Leiter der ersten Halblage vorzugsweise so angeordnet, dass, wenn dieser auf der innersten oder äußersten Ebene durch die erste Nut verläuft, er an der Sprungstelle außerhalb der ersten Nut mit einer zusätzlichen Halblage elektrisch verbunden wird. Diese zusätzliche Halblage ist die Hilfslage. Die Hilfslage kann nun so vom ersten magnetischen Pol zum zweiten magnetischen Pol geführt werden, dass die zweite Halblage durch die Hilfslage erreicht wird und kontaktiert werden kann.
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Vorzugsweise liegt der erste Teilbereich weiter innen als der zweite Teilbereich.
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Denkbar ist, dass die Hilfslage als Spange angeordnet ist, welche größtenteils in dem Bereich des Wickelkopfes verläuft, welcher am weitesten vom Stator entfernt ist. Denkbar ist weiterhin, dass die Hilfslage in axialer Richtung in einer oder mehreren axialen Lagen geführt wird, wobei die axialen Lagen in einer zur axialen Richtung orthogonalen Ebene angeordnet sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sprungstelle so angeordnet ist, dass diese der Teil des Wickelkopfes ist, der dem Rotor am nächsten ist. Dies ermöglicht ein Anordnen der Hilfslage, ohne dass dabei ein anderer elektrischer Leiter über- oder unterquert werden muss. Weiterhin können so eine trotz des Einfügens einer Hilfslage die äußeren Maße des Elektromotors und insbesondere die äußeren Maße des Wickelkopfes so gestaltet werden, wie wenn keine Hilfslage eingefügt werden würde.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wickelkopf so angeordnet wird, dass dieser entlang der axialen Richtung von den Nuten weg in einer radialen Richtung des Stators von einem Innenbereich des Stators weg geneigt ist. Damit ist es vorteilhaft möglich, den durch die Hilfslage nach innen eingeschränkten Bauraum zu vergrößern. Die Neigung des Wickelkopfes ermöglicht eine Anordnung der Hilfslage so, dass mehr Platz für den Rotor oder etwa eine Ölkühlung auf der Innenseite des Stators bleibt. Innenbereich im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet der Bereich des Elektromotors, welcher vom Stator eingeschlossen ist. Innenseite im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet die Seite des Stators, welche dem Rotor zugewandt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hilfslage in radialer Richtung eine rotorseitige Innenseite des Stators nicht überragt. Somit kann auf vorteilhafte Weise der vorhandene Bauraum im Vergleich zu Elektromotoren ohne Hilfslagen gleich gehalten werden. Dies ermöglicht eine weitere Standardisierung des Herstellungsverfahrens und damit eine Reduktion der Kosten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sprungstelle so angeordnet ist, dass diese der Teil des Wickelkopfes ist, der dem Rotor am entferntesten ist. Damit wird eine Anordnung der Hilfslage an der äußeren Seite des Stators ermöglicht, was einen vorteilhaften Effekt auf den Bauraum auf der inneren Seite des Stators hat.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wickelkopf so angeordnet wird, dass dieser entlang der axialen Richtung von den Nuten weg in einer radialen Richtung des Stators zu einem Innenbereich des Stators hin geneigt ist. Dies ermöglicht, den durch die Hilfslage nach außen erhöhten Platzbedarf des Wickelkopfes zu verringern. Die Neigung des Wickelkopfes ermöglicht eine Anordnung der Hilfslage so, dass mehr Platz für beispielsweise den Einbau des Elektromotors unter beengten Verhältnissen bleibt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hilfslage in radialer Richtung eine dem Rotor abgewandte Außenseite des Stators nicht überragt. Damit kann auf vorteilhafte Weise der benötigte Bauraum für den Einbau des Elektromotors mit Hilfslagen im Vergleich zu Elektromotoren ohne Hilfslagen gleich gehalten werden. Dies ermöglicht eine weitere Standardisierung des Herstellungsverfahrens und damit eine Reduktion der Kosten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hilfslage so angeordnet wird, dass diese den Wickelkopf in der axialen Richtung nicht überragt. Damit wird ein möglichst kurzer Elektromotor ermöglicht. Insbesondere ist somit der Elektromotor mit Hilfslagen ebenso lang wie ein entsprechender Elektromotor ohne den Wechsel von Halblagen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hilfslage so angeordnet wird, dass diese den Wickelkopf in der axialen Richtung überragt. Damit wird in vorteilhafter Weise ein leichtes elektrisches Kontaktieren der Hilfslage mit weiteren elektrischen Leitern ermöglicht.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung von elektrischen Leitern in einem Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht den platzsparenden und einfachen Wechsel von Halblagen von elektrischen Leitern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Halblage und/oder die zweite Halblage durch Umbiegen und/oder Verschweißen und/oder Verquetschen von Leiterstäben und/oder im Wesentlichen U-förmigen oder V-förmige Hairpin-Segmenten und/oder Formspulen hergestellt sind.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Elektromotor aufweisend einen Stator, einen Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine Anordnung von elektrischen Leitern gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11 aufweist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug aufweisend einen Elektromotor nach Anspruch 12.
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Alle vorstehenden Ausführungen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Anordnung, den erfindungsgemäßen Elektromotor und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch den grundsätzlichen Verlauf von Halblagen von elektrischen Leitern gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 illustriert schematisch die Anordnung von elektrischen Leitern mit Wechseln von Halblagen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch den Wickelkopf gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 illustriert schematisch den Wickelkopf gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 illustriert schematisch das Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist der grundsätzlichen Verlauf von Halblagen von elektrischen Leitern gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. 1 (a) zeigt die erste Halblage 1 und die zweite Halblage 2 übereinander. Die Bereiche der ersten Halblage 1 respektive der zweiten Halblage 2, welche in einem eingebauten Zustand der ersten Halblage 1 und der zweiten Halblage 2 im ersten Teilbereich 4 einer der Nuten 60 angeordnet sind, sind als durchgezogene Linien dargestellt und die Bereiche der ersten Halblage 1 beziehungsweise der zweiten Halblage 2, welche in einem eingebauten Zustand der ersten Halblage 1 und der zweiten Halblage 2 im zweiten Teilbereich 5 einer der Nuten 60 angeordnet sind, sind als gestrichelte Linien dargestellt. Werden die erste Halblage 1 und die zweite Halblage 2 in eingebautem Zustand von elektrischem Strom durchflossen, so werden Magnetfelder erzeugt mit den dargestellten Magnetfeldrichtungen in Richtung des Betrachters B·, beziehungsweise in Richtung vom Betrachter weg Bx. 1 (b) zeigt die erste Halblage 1 und die zweite Halblage 2 in den Nuten 60, insbesondere auch in der ersten Nut 6 und in der zweiten Nut 7, des Stators 8. Abwechselnd verlaufen die erste Halblage 1 und die zweite Halblage 2 im ersten Teilbereich 4 und im zweiten Teilbereich 5.
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In 2 ist die Anordnung von elektrischen Leitern 11 mit Wechseln von Halblagen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Zu sehen ist ein Teil des Stators 8 mit Nuten 60. Die erste Halblage 1 durchläuft die erste Nut 6, verlässt die erste Nut 6 in den Wickelkopf 9 und ist dort mit der Hilfslage 3 elektrisch kontaktiert. Die Hilfslage 3 bewirkt einen Wechsel zur zweiten Halblage 2 an der weiteren zweiten Nut 7'. Die zweite Halblage 2, wie auch die erste Halblage 1, verlaufen ferner vom Wickelkopf 9 weiter durch die zweite Nut 7 des Stators 8.
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In 3 ist der Wickelkopf 9 in einer Schnittzeichnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Der Wickelkopf 9 ist nach außen, hier nach rechts, geneigt. Die gezeigte Anordnung des Wickelkopfes 9 ermöglicht eine platzsparende Anordnung des Halblagenwechsels 10 mit der Hilfslage 3 (hier nicht gezeigt). Weiterhin sind ein Teil des Stators 8 und des Rotors 12 gezeigt. Die Neigung des Wickelkopfes 9 ist hier so stark, dass der Halblagenwechsel 10 bündig mit einer Flucht (gestrichelte Linie) des Rotors 12 angeordnet werden kann.
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In 4 ist der Wickelkopf 9 in einer Schnittzeichnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Der Wickelkopf 9 ist nach außen, hier nach rechts, geneigt. Die gezeigte Anordnung des Wickelkopfes 9 ermöglicht eine platzsparende Anordnung des Halblagenwechsels 10 mit der Hilfslage 3 (hier nicht gezeigt). Die Hilfslage 3 ist hier in einer besonders platzsparenden Weise nahe der Spitze des Wickelkopfes 9 in einer axialen Lage angeordnet. Weiterhin sind Teile des Stators 8 und des Rotors 12 gezeigt. Die Neigung des Wickelkopfes 9 ist hier so stark und die Anordnung der Hilfslage 3 ist so günstig, dass der Halblagenwechsel 10 von einer Flucht (gestrichelte Linie) des Stators 8 nach außen beabstandet angeordnet werden kann.
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6 illustriert schematisch das Fahrzeug 100 mit dem Elektromotor 101 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug 100 ist sehr vereinfacht von oben dargestellt. Zu erkennen sind lediglich die äußere Begrenzung des Fahrzeugs 100, die vier Räder (dargestellt als schwarze Kästen) und der Elektromotor 101.
