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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor, mit einem Statorkern, der mehrere in einer axialen Richtung verlaufende Statornuten aufweist, mit einer in den Statornuten angeordneten Stabwicklung, die aus mehreren Leitersegmenten gebildet ist, wobei die Stabwicklung erste Leitersegment-Enden aufweist, die an einer Stirnseite des Statorkerns zur Bildung eines Wickelkopfes aus den Statornuten hervorstehen, und mit einer Verbindungseinheit, die in einem um den Wickelkopf bestehenden Ringraum angeordnet ist und die mehrere Verbindungsschienen aufweist.
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Ein Stator einer elektrischen Maschine mit einem Statorkern, in dessen Statornuten eine Stabwicklung angeordnet ist, ist beispielsweise aus der
US 2017/0 033 630 A1 bekannt. Solche Stabwicklungen sind aus mehreren vorgefertigten Leitersegmenten gebildet, die zur Bildung der Stabwicklung in die Statornuten eingebracht und dann miteinander verbunden werden. Der Querschnitt dieser Leitersegmente ist typischerweise an den Querschnitt der in axialer Richtung verlaufenden Statornuten angepasst, so dass ein hoher Nut-Füllfaktor erreicht werden kann. An den Stirnseiten des Statorkerns sind die Statornuten quer angeschnitten. Die Leitersegmente weisen Leitersegment-Enden auf, die an diesen Stirnseiten hervorstehen und miteinander verbunden werden. Die miteinander verbundenen Leitersegment-Enden bilden einen so genannten Wickelkopf, der relativ kompakt ausgestaltet sein kann und im Wesentlichen den Bereich der Stirnseite einnimmt, in dem die Statornuten in die Stirnseite münden. Der radial außerhalb der Statornuten liegende Ringraum an der Stirnseite wird auch als Statorrücken bezeichnet und ist typischerweise nicht durch Leitersegmente der Stabwicklung ausgefüllt.
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Bei dem Stator nach
US 2017/0 033 630 A1 ist in dem um den Wickelkopf bestehenden Ringraum eine Verbindungseinheit angeordnet, über welche einzelne Spulen der Wicklung miteinander verschaltet sind. Die Verbindungseinheit nutzt somit den Ringraum aus. Um die Verbindungseinheit elektrisch mit der Stabwicklung zu verbinden, sind sowohl an der Stabwicklung als auch an der Verbindungseinheit Leiter vorgesehen, die in axialer Richtung hervorstehen und in axialer Richtung oberhalb des Wickelkopfes und der Verbindungseinheit jeweils über eine Schweißverbindung miteinander verbunden sind. Durch diesen Leiter und die genannten Schweißverbindungen wird ein relativ großer Bauraum in axialer Richtung eingenommen, der nicht durch magnetisch aktive Komponenten ausgefüllt ist und das maximal erreichbare Drehmoment der elektrischen Maschine begrenzt.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, einen Stator für eine elektrische Maschine bereitzustellen, mit dem ein möglichst großes Drehmoment erreichbar ist.
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Bei einem Stator der eingangs genannten Art wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass die Verbindungseinheit einen gemeinsamen Träger aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, an dem die Verbindungsschienen angeordnet sind und die Verbindungsschienen mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines zweiten Leitersegment-Endes aufweisen.
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In die Ausnehmungen der Verbindungsschienen der in dem Ringraum um den Wickelkopf angeordneten Verbindungseinheit können zweite Leitersegment-Enden der Stabwicklung eingebracht werden. Es ist daher nicht erforderlich, axial aus dem Wickelkopf und der Verbindungseinheit abstehende Leiter vorzusehen und oberhalb des Wickelkopfes miteinander zu verbinden. Der Platzbedarf des Stators in axialer Richtung kann somit verringert werden, so dass der magnetisch nicht aktive Raum in axialer Richtung reduziert wird und eine elektrische Maschine mit vergrößertem Drehmoment ermöglicht wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Stabwicklung mindestens ein zweites mit der Verbindungseinheit verbundenes Leitersegment-Ende aufweist, welches derart gebogen ist, dass es einen Endabschnitt aufweist, der in einer senkrecht zu der axialen Richtung angeordneten, radialen Richtung nach außen in Richtung der Verbindungseinheit verlaufend angeordnet ist. Über das Leitersegment-Ende mit radial nach außen gebogenem Endabschnitt kann eine Verbindung zwischen der Stabwicklung und der Verbindungseinheit hergestellt werden, welche die axiale Ausdehnung des Wickelkopfes und der Verbindungseinheit nicht vergrößert. Beispielsweise kann der Endabschnitt zwischen der Stirnseite des Statorkerns und einer Oberkante des Wickelkopfs angeordnet sein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Innenkontur der Ausnehmungen an einen Querschnitt des jeweiligen zweiten Leitersegment-Endes angepasst ist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine möglichst große Verbindungsfläche am Übergang zwischen der Verbindungsschiene und dem Leitersegment-Ende bereitgestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ausnehmungen auf einer dem Statorkern zugewandten Seite der Verbindungsschiene offen ausgestaltet, wodurch es möglich wird, dass die jeweilige Verbindungsschiene bzw. die Verbindungseinheit durch eine Bewegung in im Wesentlichen axialer Richtung auf das zweite Leitersegment-Ende aufgesteckt werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Ausnehmungen einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei eine Längsachse des rechteckigen Querschnitts schräg gegenüber der axialen Richtung angeordnet ist. Durch eine derartige schräge Ausgestaltung der Ausnehmungen wird während der Herstellung des Stators ein unerwünschtes Lösen der Verbindungseinheit von den Leitersegment-Enden durch eine Bewegung in axialer Richtung verhindert. Die Verbindungseinheit kann mit einer Drehbewegung in Umfangsrichtung des Stators und einer gleichzeitigen Bewegung in axialer Richtung auf die Leitersegment-Enden aufgesteckt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Verbindungsschienen genau zwei Ausnehmungen aufweisen, die bevorzugt in zwei sich gegenüberliegenden Endbereichen der Verbindungsschienen angeordnet sind. Über Verbindungsschienen mit genau zwei Ausnehmungen können zwei zweite Leitersegment-Enden verbunden werden, die Anschlusspunkte von parallel geschalteten Strängen der Stabwicklung bilden. Alternativ ist es mittels einer Verbindungsschiene mit genau zwei Ausnehmungen möglich, eine Delta-Verbindung herzustellen.
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Bevorzugt weist die Verbindungseinheit zusätzlich eine Sternpunkt-Verbindungsschiene auf, die genau drei Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines zweiten Leitersegment-Endes aufweist. Über die Sternpunkt-Verbindungsschiene kann ein Sternpunkt bereitgestellt werden, in welchem drei Phasen der Stabwicklung miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verbindungsschienen in den Träger eingebettet sind. Die Verbindungsschienen können mit dem Material des Trägers umgossen sein. Alternativ ist es möglich, dass die Verbindungsschienen in den Träger eingelegt sind, insbesondere in an die Abmessungen der Verbindungsschienen angepasste Aufnahmetaschen in dem Träger.
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Gemäß einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung ist der Träger ringförmig ausgebildet. Ein ringförmig ausgebildeter Träger kann vorteilhaft in dem Ringraum um den Wickelkopf angeordnet werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Verbindungsschienen als Stanzteile ausgebildet sind. Hierdurch kann eine kostengünstige Herstellung der Verbindungsschienen ermöglicht werden.
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Die Leitersegmente der Stabwicklung sind bevorzugt aus Kupfer oder aus Aluminium oder aus einer Kupfer-Aluminium-Legierung ausgebildet. Die Verbindungsschienen der Verbindungseinheit sind bevorzugt aus einem identischen Material wie die Leitersegmente der Stabwicklung ausgebildet. Die Verbindungsschienen weist bevorzugt einen Querschnitt auf, der größer ist als der Querschnitt der Leitersegmente, besonders bevorzugt mindestens um einen Faktor 2 oder mindestens um einen Faktor 4 größer als der Querschnitt der Leitersegmente.
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Die Leitersegmente der Stabwicklung und/oder die Verbindungsschienen der Verbindungseinheit sind bevorzugt mit einer Isolierung versehen, beispielsweise mit einer isolierenden Lackbeschichtung, insbesondere einer isolierenden Lackbeschichtung, die Polyphenylsulfid (PPS) aufweist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Leitersegment einer Stabwicklung in einer Seitenansicht;
- 2 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer Sternschaltung einer dreiphasigen elektrischen Maschine;
- 3. ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer Dreiecksschaltung einer dreiphasigen elektrischen Maschine;
- 4 ein Stator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung;
- 5 der Stator nach 4 in einer perspektivischen Darstellung aus einem anderem Blickwinkel; und
- 6 eine perspektivische Detail-Darstellung zur Veranschaulichung der Biegung eines Leitersegment-Endes.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Leitersegments 1 gezeigt, dass zur Bildung einer Stabwicklung verwendet werden kann. Das Leitersegment 1 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und ist U-förmig ausgebildet. Aufgrund ihrer Form werden derartige Leitersegmente auch als Hairpins (engl. für Haarnadeln) bezeichnet. Das Leitersegment ist bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium oder einer Kupfer-Aluminium-Legierung ausgebildet, wodurch gute elektrische Eigenschaften ermöglicht werden.
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U-förmige Leitersegmente 1, wie das in 1 gezeigte, lassen sich bei der Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine von einer Stirnseite des Statorkerns in die Statornuten einschieben. Nach dem Einbringen des Leitersegments 1 in die Statornuten können die an einer Stirnseite des Statorkerns herausstehenden offenen Leitersegment-Enden 2 des Leitersegments, umgebogen werden, um diesem mit einem weiteren Leitersegment 1 zu verbinden. Durch das Verbinden einer Vielzahl derartiger Leitersegmente 1 wird eine Stabwicklung des Stators gebildet.
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Gemäß einer Abwandlung des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels kann das Leitersegment V-förmig ausgebildet sein. Weiter alternativ ist es möglich, dass eine Vielzahl gerader Leitersegmente verwendet wird oder eine Kombination gerader Leitersegmente mit U-förmigen und/oder V-förmigen Leitersegmenten.
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Die Darstellung in 2 zeigt eine Sternschaltung einer Stabwicklung 10 einer dreiphasigen elektrischen Maschine. Diese elektrische Maschine weist je Phase jeweils sechs Stränge 13 auf, die untereinander elektrisch verschaltet werden müssen. Beim Wickeln eines Strangs 13 entstehen in den Wickelköpfen an den Stirnseiten des Stators typischerweise regelmäßige Anordnungen von Leitersegment-Enden 2, die ohne Kollisionen mit anderen Leitersegment-Enden 2 verbunden werden können. Um die einzelnen Stränge 13 jedoch parallel und/oder seriell zu verschalten oder den Sternpunkt 11 bzw. die Phasenanschlüsse 12 zu realisieren, sind jedoch Sprünge zwischen dem Anfang bzw. dem Ende der Stränge 13 erforderlich, die unregelmäßige Verbindungen an der Stirnseite erfordern.
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In 3 ist eine Dreieckschaltung einer dreiphasigen elektrischen Maschine gezeigt, bei welcher je Phase ebenfalls jeweils sechs Stränge vorgesehen sind. Ein Sternpunkt ist bei dieser Dreiecksschaltung nicht vorgesehen. Jedoch ist es erforderlich, die Dreiecksverbindungen, welche gleichzeitig die Phasenanschlüsse 12 darstellen, nach außen zu führen.
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Zur Realisierung der in 2 und 3 gezeigten Verschaltungen der Stabwicklung 10 elektrischer Maschinen wird bei einem erfindungsgemäßen Stator eine Verbindungseinheit 20 vorgesehen, die nachfolgend näher erläutert werden soll.
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Die Darstellungen in 4 und 5 zeigen denselben Stator 9 einer als Elektromotor ausgebildeten elektrischen Maschine als verschiedenen Blickwinkeln. Der Stator 9 ist für eine Innenläufermaschine geeignet und umfasst einen hohlzylindrischen Statorkern 3 mit einer Vielzahl an in axialer Richtung A verlaufenden Statornuten 4. Insofern ist die axiale Richtung A die Nutlängsrichtung und die Richtung der Nuttiefe wird als radiale Richtung R bezeichnet.
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Der Statorkern 3 ist bevorzugt als Blechpaket ausgebildet. In den Statornuten 4 ist eine Wicklung vorgesehen, die als Stabwicklung 10 aus vorgefertigten Leitersegmenten ausgebildet ist. Bei dem Stator 9 gemäß dem Ausführungsbeispiel sind hierzu Leitersegmente 1 verwendet, die wie in 1 gezeigt ausgebildet sind. Die Leitersegmente 1 sind mit ihren freien Leitersegment-Enden 2.1 jeweils derart in die Statornuten 4 eingebracht, dass der die freien Leitersegment-Enden 2 verbindende geschlossene Verbindungsbereich an einer ersten Stirnseite 15 des Statorkerns 3 angeordnet ist. Dieser geschlossene Verbindungsbereich steht auf der ersten Stirnseite 15 aus den Statornuten 4 hervor und bildet einen ersten Wickelkopf 5. Auf einer der ersten Stirnseite 15 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 16 stehen die freien Leitersegment-Enden 2.1 aus den Statornuten 4 hervor und bilden einen zweiten Wickelkopf 6. Als Stirnseite 15, 16 werden hier die Seiten des Statorkerns 3 bezeichnet, an welchen die Statornuten 4 quer angeschnitten sind.
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Wie den Darstellungen in 4 und 5 weiter entnommen werden kann, werden diese ersten Leitersegment-Enden 2.1 in Umfangsrichtung des hohlzylindrischen Statorkerns 3 umgebogen und dann in Verbindungsstellen 7 miteinander verbunden, um die durchgängige Stabwicklung 10 zu bilden, beispielsweise durch eine Schweißverbindung, eine Lötverbindung oder durch Crimpen.
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Die Darstellungen in 4 und 5 zeigen ferner eine Verbindungseinheit 20, die in einem um den Wickelkopf 6 bestehenden Ringraum - dem Rücken des Statorkerns - angeordnet ist und die mehrere Verbindungsschienen 21, 22 aufweist. Die Verbindungsschienen 21, 22 sind gegeneinander isoliert und jeweils mit verschiedenen zweiten Leitersegment-Enden verbunden, um die jeweiligen Leitersegmente 1 miteinander zu verbinden. Bevorzugt bestehen die Verbindungsschienen 21, 22 aus demselben Material wie die Leitersegmente 1, hier also Kupfer oder Aluminium oder eine Kupfer-Aluminium-Legierung.
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Wie der Darstellung eines Bereichs des Wickelkopfes 6 an der zweiten Stirnseite 16 in 6 entnommen werden kann, sind mehrere zweite Leitersegment-Enden 2.2 derart gebogen, dass sie einen ersten Endabschnitt aufweisen, der in der radialen Richtung R nach außen in Richtung der Verbindungseinheit 20 verlaufend angeordnet ist. Die derart gebogenen, zweiten Leitersegment-Enden 2.2 sind von an die Verbindungsschienen 21, 22 herangeführt und mit diesen verbunden. Die Verbindungsschienen 21, 22 weisen mehrere, hier zwei, Ausnehmungen auf, in welchen jeweils eines der zweiten Leitersegment-Enden 2.2 aufgenommen ist. Die Ausnehmungen weisen eine Innenkontur auf, die an den Querschnitt des jeweiligen zweiten Leitersegment-Endes 2.2 angepasst ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt der zweiten Leitersegment-Enden 2.2 im Wesentlichen rechteckig mit abgerundeten Ecken. Die Innenkontur der Ausnehmungen an den Verbindungsschienen 21, 22 ist daher ebenfalls rechteckig mit abgerundeten Ecken ausgestaltet. Die Ausnehmungen sind auf einer dem Statorkern 3 zugewandten Seite der jeweiligen Verbindungsschiene 21, 22 offen ausgestaltet und im Bereich der Enden der Verbindungsschienen 21, 22 angeordnet. Insofern ergibt sich eine hakenartige Ausgestaltung der Enden der Verbindungsschienen 21, 22. Dabei sind die Ausnehmungen derart angeordnet, dass eine Längsachse L des rechteckigen Querschnitts schräg gegenüber der axialen Richtung A angeordnet ist.
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Eine dauerhafte Verbindung zwischen zweitem Leitersegment-Ende 2.2 und Verbindungsschiene 21, 22 ist durch eine Schweißverbindung, Lötverbindung oder durch eine Crimpverbindung hergestellt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Verbindungseinheit 20 vorgesehen, die einen gemeinsamen Träger 25 aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist. Dieser Träger 15 ist ringförmig ausgebildet und konzentrisch zu dem Wickelkopf 6 angeordnet. Die Verbindungsschienen können - abweichend von der Darstellung in 4 und 5 - in den Träger 25 eingebettet sein. An der Innenseite des Trägers 25, d.h. der Seite, die dem Wickelkopf 6 zugewandt ist, sind mehrere Ausnehmungen in dem Träger 25 vorgesehen, in welchen jeweils ein Endabschnitt eines zweiten Leitersegment-Endes 2.2 aufgenommen ist. Die Ausnehmungen des Trägers 25 sind deckungsgleich mit den Ausnehmungen in den Verbindungsschienen 21, 22 angeordnet, so dass die in radialer Richtung R nach außen vom Wickelkopf 6 abstehenden zweiten Leitersegment-Enden 2.2 mit der jeweiligen an dem Träger 25 angeordneten Verbindungsschiene 21, 22 verbunden werden können.
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Die Verbindungsschienen sind bevorzugt als Stanzteile ausgebildet.
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Der vorstehend beschrieben Stator 9 für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor, umfasst einen Statorkern 3, der mehrere in einer axialen Richtung A verlaufende Statornuten 4 aufweist. Ein weiterer Bestandteil des Stators 9 ist eine in den Statornuten 4 angeordnete Stabwicklung 10, die aus mehreren Leitersegmenten 1 gebildet ist, wobei die Stabwicklung 10 erste Leitersegment-Enden 2.1 aufweist, die an einer Stirnseite 16 des Statorkerns 3 zur Bildung eines Wickelkopfes 6 aus den Statornuten 4 hervorstehen, und mit einer Verbindungseinheit 20, die in einem um den Wickelkopf 6 bestehenden Ringraum angeordnet ist und die mehrere Verbindungsschienen 21, 22 aufweist. Diese Verbindungseinheit 20 weist einen gemeinsamen Träger 25 aus einem elektrisch isolierenden Material auf, an dem die Verbindungsschienen 21, 22 angeordnet sind. Die Verbindungsschienen 21, 22 umfassen mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines zweiten Leitersegment-Endes 2.2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0033630 A1 [0002, 0003]
