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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aktivteil für eine elektrische Maschine, welches eine Mehrzahl von Zähnen und eine Mehrzahl von Spulen, welche auf den jeweiligen Zähnen angeordnet sind, umfasst. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Aktivteil. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Aktivteils.
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Das Interesse richtet sich vorliegend auf Aktivteile für elektrische Maschinen. Ein solches Aktivteil kann ein Stator oder ein Rotor einer elektrischen Maschine sein. Aus dem Stand der Technik sind Aktivteile bekannt, welche eine Mehrzahl von Spulen aufweisen. Diese Spulen sind aus einem Draht gebildet und werden auf entsprechende Zähne des Aktivteils gewickelt. Ferner ist es bekannt, die jeweiligen Spulen aus einem Flachdraht herzustellen, da dieser in elektrischer und/oder elektromagnetischer Hinsicht Vorteile im Vergleich zu Runddrähten mit sich bringt. Bei der Herstellung einer Spule aus einem Flachdraht ist der Wickelprozess langsam und schwierig qualitativ hochwertig durchzuführen. Beispielsweise ist der Biegeradius, unter dem Beschädigungen auftreten, geometrisch limitiert, wodurch die Zahnbreite und der geometrische Drahtquerschnitt limitiert werden. Darüber hinaus ergeben sich signifikante Abstände zwischen dem Zahn und dem Draht, wodurch das elektromagnetische Feld beeinträchtigt wird. Ferner ist eine Nachvollziehbarkeit beziehungsweise Wiederholbarkeit des Prozesses nicht gegeben. Außerdem ist eine Schädigung der Isolation am Draht durch heute bestehende Testes nicht erkennbar. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass es eine kontinuierliche Drahtwicklung erschwert, auf dem Zahn mehrere separate Spannungskreise zu etablieren. Darüber hinaus können bei aktuellen Verschaltungen bei auftretenden Fehlerstellen, beispielsweise einem Windungsschluss, keine einzelnen Windungen ausgetauscht oder repariert werden. Wenn dies überhaupt möglich ist, dann ist es erforderlich, mit sehr großem Aufwand die ganze Spule zu entnehmen. Ferner ist bei der herkömmlichen Verschaltungsgeometrie mit einem Sternpunkt eine einzelne Spule nicht prüfbar und somit nicht die einzelnen Windungen. Ferner nimmt das Endstück des Zahns, der sogenannte „Wickelkopf“ welcher den Biegeradius unterstützt, zusätzlichen Platz ein, in dem keine nützliche elektromagnetische Kraft erzeugt und die aktive Länge des Zahns effektiv begrenzt wird.
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Um die Abstände zwischen dem Zahn und dem Draht zu verringern, sind mechanische Lösungen bekannt, die aber keine vollständige Lösung bieten. Hierzu wird beispielsweise eine Wickelautomatisierung unter Zuhilfenahme von Maschinen verwendet. Ferner ist es bekannt, die Drähte entsprechend zu verpressen. Um die Nachvollziehbarkeit und/oder Wiederholbarkeit des Prozesses zu verbessern, ist es bekannt, eine Wickelautomatisierung durchzuführen oder den Wickelvorgang mit fototechnischen Verfahren aufzunehmen. Ansonsten bestehen für die oben genannten Probleme bisher noch keine Lösungen.
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Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Teile der Wicklung des Aktivteils vorzufertigen und diese auf einen Stator oder Rotor aufzubringen. Beispielsweise sind so genannte Haarnadel-Windungen bekannt, welche als einzelne Windungen in einen Stator mit Loch gesteckt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie ein Aktivteil einer elektrischen Maschine mit Spulen, welche an Zähnen angeordnet werden, auf einfache Weise bereitgestellt werden kann, so dass ein effizienter Betrieb der elektrischen Maschine erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Aktivteil, durch eine elektrische Maschine sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Aktivteil für eine elektrische Maschine umfasst eine Mehrzahl von Zähnen und eine Mehrzahl von Spulen, welche auf den jeweiligen Zähnen angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass die jeweiligen Spulen eine Mehrzahl von vorgefertigten Aufsteckelementen aufweist, welche nebeneinander auf dem Zahn angeordnet sind und den Zahn bereichsweise umgeben. Ferner weisen die jeweiligen Spulen eine Mehrzahl von vorgefertigten Verbindungselementen zum elektrischen Verbinden von jeweils zwei nebeneinander angeordneten Aufsteckelementen auf.
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Bei dem Aktivteil kann es sich um einen Stator oder um einen Rotor der elektrischen Maschine handeln. Dieses Aktivteil kann beispielsweise ein Blechpaket aufweisen, welches die Mehrzahl von Zähnen aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die jeweiligen Spulen nicht durch einen fortlaufenden Draht, sondern durch die Mehrzahl von Aufsteckelementen und die Mehrzahl von Verbindungselementen gebildet werden. Sowohl die Aufsteckelemente als auch die Verbindungselemente sind vorgefertigt beziehungsweise so gefertigt, dass sie an das Profil beziehungsweise die Außenkontur des Zahns angepasst sind. Bei der Herstellung der Spule werden zunächst die vorgefertigten Aufsteckelemente auf den Zahn aufgeschoben und anschließend werden diese mit den jeweiligen Verbindungselementen elektrisch verbunden und zu dem gewünschten Schaltkreis zusammengeschlossen. Dabei werden die jeweiligen Aufsteckelemente nebeneinander beziehungsweise in radialer Richtung des Zahns übereinander angeordnet. Mit einem der Verbindungselemente können jeweils zwei nebeneinander angeordnete Aufsteckelemente elektrisch miteinander verbunden werden. Durch die elektrische Verbindung der Aufsteckelemente mit den jeweiligen Verbindungselementen ergibt sich insgesamt dann die Spule des Aktivteils. Die jeweiligen Spulen bilden zusammen die Wicklung des Aktivteils. Somit ist es nicht erforderlich, dass die gesamte Spule aus einem einzigen Draht gewickelt wird. Dadurch können die eingangs genannten Probleme gelöst werden. Ferner kann eine einfache Fertigung der jeweiligen Spulen ermöglicht werden.
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Bevorzugt weisen die Mehrzahl von Aufsteckelementen und die Mehrzahl von Verbindungselementen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Aufsteckelemente und die Verbindungselemente können aus einem Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, gefertigt sein. Die jeweiligen Aufsteckelemente und die jeweiligen Verbindungselemente können also einen Querschnitt aufweisen, welcher von Flachdrähten bekannt ist. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Aufsteckelemente und die Verbindungselemente jeweils den gleichen Querschnitt aufweisen. Dadurch können die elektrischen und/oder die elektromagnetischen Vorteile erreicht werden, die von Flachdrähten bekannt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Mehrzahl von Aufsteckelementen und die Mehrzahl von Verbindungselementen derart vorgefertigt, dass diese zumindest bereichsweise an einer Außenkontur des Zahns anliegen. Wie bereits erläutert, ist die Formgebung der Aufsteckelemente und/oder der Verbindungselemente an die Formgebung beziehungsweise das Profil des Zahns angepasst. Somit kann insbesondere erreicht werden, dass die jeweiligen Aufsteckelemente und/oder die jeweiligen Verbindungselemente zum überwiegenden Teil an der Außenkontur des Zahns anliegen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die jeweiligen Aufsteckelemente und/oder die jeweiligen Verbindungselemente vollständig an dem Zahn anliegen. Somit kann der elektromagnetisch ungünstige Abstand zwischen dem Zahn und den Windungen der Spule, wobei eine Windung durch ein Aufsteckelement und ein Verbindungselement gebildet wird, reduziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die jeweiligen Aufsteckelemente U-förmig ausgebildet und weisen einen mittleren Bereich und zwei Schenkelbreiche auf, wobei der mittlere Bereich an einer Querseite des Zahns anliegt und die zwei Schenkelbereiche zumindest bereichsweise an jeweiligen Längsseiten des Zahns anliegen. Der Bereich des Zahns, an welchem die Spule angeordnet wird, kann im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sein und zwei gegenüberliegende Querseiten sowie zwei gegenüberliegende Längsseiten aufweisen. Die jeweiligen Aufsteckelemente weisen den mittleren Bereich auf, welcher an einer der Querseiten anliegt. Des Weiteren weisen die jeweiligen Aufsteckelemente die Schenkelbereiche auf, welche im Wesentlichen senkrecht zu dem mittleren Bereich angeordnet sind. Zwischen dem mittleren Bereich und den jeweiligen Schenkelbereichen kann das Aufsteckelement eine entsprechende Krümmung beziehungsweise einen Radius aufweisen. Dabei können die jeweiligen Schenkelelemente an der kompletten Längsseite oder einem Teil davon anliegen. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Aufsteckelemente mechanisch exakt auf die benötige Größe und Form gefertigt. Dies ermöglicht zudem eine potentielle Nutzung von derzeit nicht erreichbaren Zahngeometrien.
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In einer Ausführungsform verlaufen die Schenkelbereiche der jeweiligen Aufsteckelemente parallel zu einer Grundfläche des Zahns. Dabei ist es ferner vorgesehen, dass alle Schenkelbereiche der an dem Zahn angeordneten Aufsteckelemente parallel zueinander verlaufen. In diesem Fall ist insbesondere vorgesehen, dass die Verbindungselemente, welche die jeweils zwei benachbarten Aufsteckelemente elektrisch miteinander verbinden, schräg zu der Grundfläche des Zahns verlaufen. Auf diese Weise kann die Spule bereitgestellt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform verläuft zumindest ein Schenkelbereich der jeweiligen Aufsteckelemente schräg zu einer Grundfläche des Zahns. Es kann vorgesehen sein, dass ein Schenkelbereich der jeweiligen Aufsteckelemente parallel zu der Grundfläche des Zahns verläuft. Der andere Schenkelbereich kann schräg oder diagonal zu dieser Grundfläche verlaufen. Beispielsweise können die Schenkelbereiche der jeweiligen Aufsteckelemente, die auf einer der Längsseiten angeordnet sind, schräg zu der Grundfläche des Zahns verlaufen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die jeweiligen Schenkelbereiche auf einer Längsseite des Zahns parallel zueinander verlaufen. Die jeweiligen Verbindungselemente, welche dann die benachbarten Aufsteckelemente miteinander verbinden, können parallel zu der Grundfläche des Zahns verlaufen. Auch auf diese Weise kann auf einfache und zuverlässige Weise die Spule hergestellt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die jeweiligen Verbindungselemente U-förmig ausgebildet und weisen einen mittleren Bereich und zwei Schenkelbereiche auf, wobei der mittlere Bereich an einer Querseite des Zahns anliegt und die zwei Schenkelbereiche zumindest bereichswese an jeweiligen Längsseiten des Zahns anliegen. Auch die jeweiligen Verbindungselemente können U-förmig ausgebildet sein. Dabei ist es vorgesehen, dass eines der Aufsteckelemente und eines der Verbindungselemente, welche miteinander verbunden sind, den Zahn umfangsseitig umgeben. Dabei liegt der mittlere Bereich des U-förmigen Aufsteckelements an einer ersten Querseite an. Die beiden Schenkelbereiche des Aufsteckelements erstrecken sich jeweils über einen Bereich der Längsseiten des Zahns. Der mittlere Bereich des U-förmigen Verbindungselements liegt an einer zweiten beziehungsweise gegenüberliegenden Querseite des Zahns an. Die beiden Schenkel des Verbindungselements erstrecken sich bis zu den jeweiligen Schenkeln des Aufsteckelements. Dabei ist ein Schenkel des Aufsteckelements mit einem Schenkel des Verbindungselements verbunden. Auf diese Weise kann die Spule, welche an dem Zahn angeordnet ist, bereitgestellt werden, ohne dass bei dem Aufbringen der Spule eine Beschädigung der einzelnen Teile droht.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die jeweiligen Verbindungselemente gerade ausgebildet sind und liegen an einer Querseite des Zahns an. Auch in diesem Fall ist das jeweilige Aufsteckelement U-förmig ausgebildet. Hierbei liegt der mittlere Bereich des Aufsteckelements an einer ersten Querseite an. Die jeweiligen Schenkelbereiche des Aufsteckelements erstrecken sich über die kompletten Seitenflächen des Zahns. Das Verbindungselement, welches gerade ausgebildet ist, erstreckt sich entlang der zweiten Querseite des Zahns. Ferner ist vorgesehen, dass ein Schenkelbereich des Aufsteckelements mit einer Seite des Verbindungselements verbunden ist, um eine Windung der Spule bereitzustellen. Dies ermöglicht eine schnelle Fertigung der Spule.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Mehrzahl von Verbindungselementen an einer Platte angeordnet, wobei auf der Platte zumindest ein elektronisches Bauelement angeordnet ist. Die jeweiligen Verbindungselemente können alle auf der gemeinsamen Platte beziehungsweise Aufsteckplatte angeordnet sein oder auf dieser ausgebildet sein. Bei der Platte kann es sich beispielsweise um eine Leiterplatte handeln. Dabei ist es ferner vorgesehen, dass auf dieser Platte ein elektronisches Bauelement und insbesondere ein Halbleiterbauelement angeordnet ist. Es können auch mehrere Halbleiterbauelemente auf der Platte angeordnet sein. Dieses zumindest eine elektronische Bauelement kann dazu dienen, eine elektrische Spannung, welche an der Spule oder den einzelnen Windung anliegt, zu steuern. Ferner kann das zumindest eine elektronische Bauelement dazu dienen, einen elektrischen Strom, welcher durch die Spule oder durch zumindest eine Windung fließt, zu steuern. Insbesondere wird durch das zumindest eine Bauteil eine Umrichterschaltung gebildet. Ferner wird durch die Platte und/oder das zumindest eine elektronische Bauelement die Möglichkeit geboten, die einzelnen Windungen beliebig miteinander zu verschalten. Darüber hinaus wird die Möglichkeit geboten, eine elektrische Prüfung der Spule und/oder der einzelnen Windungen durchzuführen. Das zumindest eine elektronische Bauteil kann Teil einer Messeinrichtung sein.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die jeweiligen Aufsteckelemente und die jeweiligen Verbindungselemente zumindest bereichsweise mit einer Isolierung beschichtet sind. Die Aufsteckelemente und die Verbindungselemente sind so auszugestalten und an dem Zahn anzuordnen, dass die elektrische Isolierung zwischen den einzelnen Windungen der Spule garantiert wird. Die jeweiligen Aufsteckelemente und die jeweiligen Verbindungselemente können angepasst an die äußeren Abmessungen des Zahns gefertigt werden. Im Anschluss daran können die jeweiligen Aufsteckelemente und die jeweiligen Verbindungselemente mit einer entsprechenden Isolierung versehen werden. Diese Isolierung kann aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, gebildet sein. Bei der Isolierung kann es sich auch um einen entsprechenden elektrisch isolierenden Lack handeln. Dabei ist es ferner vorgesehen, dass die Aufsteckelemente und Verbindungselemente in einem jeweiligen Kontaktbereich frei von einer Isolierung sind. Somit wird es ermöglicht, dass diese elektrisch miteinander verbunden werden.
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Bevorzugt werden die jeweiligen Verbindungselemente mit den dazugehörigen Aufsteckelementen mittels Schweißen und/oder Löten verbunden. Wie bereits erläutert, weisen die Verbindungselemente und die Aufsteckelemente an ihren freien Enden beziehungsweise den Schenkelbereichen entsprechende Kontaktbereiche auf, um diese elektrisch miteinander zu verbinden. Das elektrische Verbinden der jeweiligen Verbindungselemente und Aufsteckelemente kann durch ein Lötverfahren erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Schweißverfahren, beispielsweise Ultraschallschweißen, verwendet werden. Darüber hinaus können die Verbindungselemente und die Aufsteckelemente durch eine Steckverbindung miteinander verbunden werden. Dies eignet sich insbesondere, wenn die jeweiligen Verbindungselemente auf der gemeinsamen Platte angeordnet sind. Dabei können in der jeweiligen Platte Öffnungen vorgesehen sein, in welche die freien Enden beziehungsweise Kontaktbereiche der Aufsteckelemente eingebracht werden. Alternativ dazu kann ein elektrisch leitfähiger Klebstoff verwendet werden, um die Verbindungselemente und die dazugehörigen Aufsteckelemente elektrisch miteinander zu verbinden. Nach dem Verbinden der Verbindungselemente mit den dazugehörigen Aufsteckelementen können die Kontaktbereiche der Verbindungselemente und/oder Aufsteckelemente nochmals mit einer entsprechenden Isolierung beschichtet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen die jeweiligen Zähne an einer Oberseite zumindest eine Öffnung zum Einbringen eines Werkzeugs für das Schweißen und/oder Löten auf. Der Bereich des Zahns, auf welchen die Spule aufgebracht wird, kann im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sein. An einer Oberseite und einer Unterseite kann der Zahn jeweils ein plattenförmiges Begrenzungselement aufweisen, an welchem die oberste Windung beziehungsweise die unterste Windung der Spule anliegt. In dem Begrenzungselement, welches an der Oberseite angeordnet ist, kann zumindest eine Öffnung vorgesehen sein, durch welche ein Werkzeug zum Löten und/oder Schweißen der Verbindungselemente und Aufsteckelemente zumindest bereichsweise eingebracht werden kann. Dies vereinfacht die Montage der Spule auf den jeweiligen Zähnen.
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Auf dem Zahn können zusätzliche Führungselemente angeordnet sein, durch welche die Anordnung der Aufsteckelemente und/oder der Verbindungselemente auf dem Zahn vorgegeben wird. Dies eignet sich insbesondere, wenn die Schenkelbereiche der Aufsteckelemente schräg zu der Grundfläche des Zahns verlaufen. Auf dem Zahn kann ferner ein Isolationselement, welches beispielsweise aus einem Kunststoff gebildet ist, aufgeschoben werden. Im Anschluss daran können die Aufsteckelemente und die Verbindungselemente auf dieses Isolationselement aufgeschoben werden. Auf diese Weise kann eine elektrische Isolation zwischen den Aufsteckelementen und/oder den Verbindungselementen einerseits und des Zahns andererseits verhindert werden.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst ein erfindungsgemäßes Aktivteil, wobei das Aktivteil ein Stator oder ein Rotor der elektrischen Maschine ist. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um eine elektrische Maschine mit einer hohen Leistungsdichte. Beispielsweise kann die elektrische Maschine in der Fertigung, einer Anlage oder in einem Roboter eingesetzt werden. Insbesondere kann die elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs verwendet werden. Beispielsweise kann die elektrische Maschine als Antrieb in einem Elektrofahrzeug, einem Boot, einem U-Boot oder dergleichen eingesetzt werden. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Antrieb in einem Elektroflugzeug beziehungsweise elektrisch angetriebenen Flugzeug verwendet wird.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen eines Aktivteils für eine elektrische Maschine. Das Verfahren umfasst das Fertigen einer Mehrzahl von Spulen und das Aufbringen der Spulen auf jeweilige Zähne des Aktivteils. Dabei ist es vorgesehen, dass zum Fertigen der jeweiligen Spulen eine Mehrzahl von Aufsteckelementen vorgefertigt wird und diese derart nebeneinander auf dem Zahn angeordnet wird, dass diese den Zahn bereichsweise umgeben. Darüber hinaus wird zum Fertigen der jeweiligen Spulen eine Mehrzahl von Verbindungselementen vorgefertigt und jeweils zwei nebeneinander angeordnete Aufsteckelemente werden mit einem der Verbindungselemente elektrisch verbunden.
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Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Mehrzahl von Aufsteckelementen und die Mehrzahl von Verbindungselementen aus einem Grundkörper ausgestanzt werden und anschließend zumindest bereichsweise eine Isolation auf die Mehrzahl von Aufsteckelementen und die Mehrzahl von Verbindungselementen aufgebracht wird. Der Grundkörper, aus welchem die Aufsteckelemente und/oder Verbindungselemente gefertigt werden, kann eine Metallplatte sein. Aus dieser Metallplatte können die Aufsteckelemente und/oder Verbindungselemente in der gewünschten Form, welche an die Außenkontur des Zahns angepasst ist, herausgestanzt werden. Im Anschluss daran können die Aufsteckelemente und Verbindungselemente mit der Isolation versehen werden. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass diese Isolation in den Kontaktbereichen, in denen die Verbindungselemente mit den Aufsteckelementen verbunden werden, nicht aufgebracht wird. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Fertigung der Spule des Aktivteils.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Aktivteil vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine und für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 einen Zahn und eine Spule eines Aktivteils einer elektrischen Maschine gemäß dem Stand der Technik;
- 2 einen Zahn und eine Spule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine Seitenansicht des Zahns mit der Spule gemäß 2;
- 4 eine Schnittdarstellung des Zahns und der Spule gemäß 3;
- 5 einen Zahn und eine Spule eines Aktivteils einer elektrischen Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 6 eine Seitenansicht des Zahns und der Spule gemäß 5;
- 7 eine Schnittdarstellung des Zahns und der Spule gemäß 6;
- 8 ein Aufsteckelement und ein Verbindungselement gemäß einer Ausführungsform, wobei durch das Austeckelement und das Verbindungselement eine Windung der Spule gebildet wird;
- 9 ein Begrenzungselement an einer Oberseite der Spule, welches entsprechende Öffnungen zum Einbringen eines Werkzeugs aufweist;
- 10 ein Aufsteckelement und ein Verbindungselement gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 11 ein Begrenzungselement einer Spule gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 12 ein Aufsteckelement sowie Verbindungselemente, welche auf einer gemeinsamen Platte angeordnet sind.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Zahns 2 sowie einer Spule 3, welche auf dem Zahn 2 angeordnet ist. Der Zahn 2 und die Spule 3 sind Teil eines Aktivteils 1 einer elektrischen Maschine. Bei dem Aktivteil kann es sich um einen Stator oder einen Rotor der elektrischen Maschine handeln. Der Zahn 2 ist in dem Bereich, in welchem die Spule 3 angeordnet ist, im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und weist gegenüberliegende Längsseiten 4a, 4b sowie gegenüberliegende Querseiten 5a, 5b auf. In der vorliegenden Darstellung ist nur die Längsseite 4a zu erkennen. An einer Unterseite 6 weist der Zahn 2 ein unteres Begrenzungselement 8a auf, und an einer Oberseite 7 weist der Zahn ein oberes Begrenzungselement 8b auf. Zwischen den Begrenzungselementen 8a, 8b wird die Spule 3 auf den Zahn 3 aufgebracht. Die Spule 3 ist vorliegend durch einen durchgehenden Draht 9 gebildet, welcher auf den Zahn 2 aufgewickelt wird.
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2 zeigt eine Perspektivansicht eines Zahns 2 mit einer Spule 3 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Spule 3 ist hierbei als gerade Ankerwicklung ausgebildet. Die Spule 3 umfasst eine Mehrzahl von Aufsteckelementen 10 welche auf die Spule 2 aufgesteckt werden. Diese Aufsteckelemente 10 sind vorgefertigt und an das Profil des Zahns 2 beziehungsweise die Außenkontur des Zahns 2 angepasst. Darüber hinaus umfasst die Spule 3 eine Mehrzahl von Verbindungselementen 11, mit denen jeweils zwei übereinander angeordnete Aufsteckelemente 10 elektrisch miteinander verbunden werden.
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Ferner zeigt 3 eine Seitenansicht des Zahns 2 und der Spule 3 gemäß 2. Hier ist zu erkennen, dass die jeweiligen Aufsteckelemente 10 parallel zu einer Grundfläche 12 beziehungsweise parallel zu dem Begrenzungselement 8a verlaufen. Die jeweiligen Aufsteckelemente 10 sind im Wesentlichen U-förmig ausgebildet und werden entlang der Richtung des Pfeils 13 auf den Zahn 2 aufgeschoben. Dabei liegen die jeweiligen Aufsteckelemente 10 vollständig an der Querseite 5a und zumindest bereichsweise an den jeweiligen Längsseiten 8a, 8b an.
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4 zeigt den Zahn 2 und die Spule 3 gemäß 3 entlang des Schnitts IV-IV. Hierbei ist zu erkennen, dass die jeweiligen Aufsteckelemente 10 parallel zueinander und parallel zu der Grundfläche 12 angeordnet sind. Ferner kann aus der 4 entnommen werden, dass die jeweiligen Aufsteckelemente 10 einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Aufsteckelemente 10 nach Art eines Flachdrahts ausgebildet. Wie in 2 zu erkennen ist, befinden sich die jeweiligen Verbindungselemente 11 im Bereich der Querseite 5b beziehungsweise der Stirnseite des Zahns 2. Hierbei verlaufen die jeweiligen Verbindungselemente 11 parallel zueinander und jeweils schräg zu der Grundfläche 12 des Zahns 2. Dadurch können die übereinander angeordneten Aufsteckelemente 10 elektrisch miteinander verbunden werden, um die Spule 3 zu realisieren.
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5 zeigt eine Perspektivansicht eines Zahns 2 und einer Spule 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 6 zeigt die Seitenansicht des Zahns 2 und der Spule 3 gemäß 5. Hierbei ist zu erkennen, dass die jeweiligen Aufsteckelemente 10 schräg beziehungsweise diagonal zu der Grundfläche 12 verlaufen. An dem Zahn 2 sind zusätzliche Führungselemente 14 angeordnet, durch welche die diagonale Richtung der Aufsteckelemente 10 vorgegeben wird. Wie aus 7, welche den Zahn 2 und die Spule 3 gemäß dem Schnitt VII-VII aus 6 zeigt, zu entnehmen ist, verlaufen die Aufsteckelemente 10 auf der Längsseite 4a schräg beziehungsweise diagonal zu der Grundfläche 12. Auf der gegenüberliegenden Längsseite 4b verlaufen die Aufsteckelemente parallel zu der Grundfläche 12. Wie aus 5 zu entnehmen ist, verlaufen auch die Verbindungselemente 11 an der Querseite 5b parallel zu der Grundfläche 12. Auf diese Weise kann eine diagonale Ankerwicklung bereitgestellt werden.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufsteckelements 10 und eines Verbindungselements 11 gemäß einer Ausführungsform. Hierbei ist zu erkennen, dass das Aufsteckelement 10 U-förmig ausgebildet ist und einen mittleren Bereich 15 sowie zwei Schenkelbereiche 16 aufweist. Dabei sind die Schenkelbereiche 16 senkrecht zu dem mittleren Bereich 15 angeordnet. Bei der Anordnung des Aufsteckelements 10 an dem Zahn 2 liegt der mittlere Bereich 15 vollständig an der Querseite 5a des Zahns 2 an. Die jeweiligen Schenkelbereiche 16 liegen vollständig an den gegenüberliegenden Längsseiten 4a und 4b an. In diesem Fall ist das Verbindungselement 11 gerade ausgebildet und liegt bei der Anordnung an dem Zahn 2 an der Querseite 5b vollständig an.
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Zum Herstellen der jeweiligen Aufsteckelemente 10 und der Verbindungselemente 11 können dies aus einem Grundkörper, beispielsweise einem Metallblech gestanzt werden. Im Anschluss daran kann eine entsprechende Isolierung auf die Aufsteckelemente 10 und die Verbindungselemente 11 aufgebracht werden. Danach können die Aufsteckelemente 10 auf den Zahn 2 aufgeschoben werden und anschließend mit den jeweiligen Verbindungselementen 11 zu der Spule 3 verbunden werden. Die jeweiligen Aufsteckelemente 10 weisen an den freien Enden der Schenkelbereiche 16 Kontaktbereiche 17 auf. Auch die Verbindungselemente 11 weisen an ihren freien Enden entsprechende Kontaktbereiche 18 auf. An den Kontaktbereichen 17, 18 können die Aufsteckelemente 10 mit den Verbindungselementen 11 verbunden werden. Zum elektrischen Verbinden der Aufsteckelemente 10 und der Verbindungselemente 11 kann ein Schweißverfahren und/oder ein Lötverfahren genutzt werden. Um dieses Schweißverfahren zu vereinfachen, ist es vorgesehen, dass das Begrenzungselement 8b an der Oberseite 7 des Zahns 2 entsprechende Durchgangsöffnungen 19 aufweist, durch welche ein Werkzeug zum Schweißen und/oder Löten eingebracht werden kann.
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10 zeigt ein Aufsteckelement 10 und ein Verbindungselement 11 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Auch in diesem Fall ist das Aufsteckelement 10 im Wesentlichen U-förmig ausgebildet. Nach dem Aufschieben des Aufsteckelements 10 auf den Zahn 2 liegt der mittlere Bereich 15 vollständig an der Querseite 5a an. Die jeweiligen Schenkelbereiche 16 liegen nur an einem Bereich der jeweiligen Längsseiten 4a, 4b an. Vorliegend ist auch das Verbindungselement 11 U-förmig ausgebildet und weist einen mittleren Bereich 20 auf. Dieser mittlere Bereich 20 liegt bei der Anordnung des Verbindungselements 11 an dem Zahn 2 vollständig an der Querseite 5b an. Darüber hinaus umfasst das Verbindungselement 11 analog zu dem Aufsteckelement 10 entsprechende Schenkelbereiche 21, welche bei der Anordnung des Verbindungselements 11 an den Zahn 2 bereichsweise an den Längsseiten 4a, 4b anliegen. Auch bei einer derartigen Ausgestaltung der Aufsteckelemente 10 und der Verbindungselemente 11 können an dem Begrenzungselement 8b entsprechende Durchgangsöffnungen 19 für das Werkzeug vorgesehen sein. Dies ist schematisch in 11 dargestellt. Wie in Zusammenschau mit 9 zu erkennen ist, befinden sich die Durchgangsöffnungen 19 im Bereich der Kontaktbereiche 17, 18 der Aufsteckelemente 10 und der Verbindungselemente 11.
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12 zeigt ein Aufsteckelement 10 sowie Verbindungselemente 11 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hierbei ist das Aufsteckelement 10 wiederum U-förmig ausgebildet. Die jeweiligen Verbindungselemente 11, von denen vorliegend der Übersichtlichkeit halber nur zwei dargestellt sind, sind auf einer gemeinsamen Platte 22 angeordnet. Diese Platte 22 weist entsprechende Öffnungen 23 auf, in welche Kontaktbereiche 17 beziehungsweise die freien Enden der jeweiligen Aufsteckelemente 10 eingebracht werden können. Auf dieser Platte 20 kann zudem zumindest ein elektronisches Bauteil aufgebracht werden. Bei dem elektronischen Bauteil handelt es sich insbesondere um ein oder mehrere Halbleiterbauelemente. Insbesondere kann durch diese Halbleiterbauelemente eine Umrichterschaltung bereitgestellt werden.
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Dadurch, dass die Spule 3 des Aktivteils 1 durch die vorgefertigten Aufsteckelemente 10 und die Verbindungselemente 11 gebildet wird, ergeben sich mehrere Vorteile. Beispielsweise ergibt sich eine erhöhte Geschwindigkeit bei der Fertigung der Spule 3 beziehungsweise des Aktivteils 1. Insbesondere ergibt sich die Möglichkeit, die jeweiligen Spulen 3 vorgefertigt als Paket auf den Zahn 2 zu schieben, wodurch sich ein erheblicher Geschwindigkeitsvorteil gegenüber Einzelzahnwicklungen ergibt. Ferner kann das Aufbringen der Aufsteckelemente 10 und der Verbindungselemente 11 automatisiert werden. Hierdurch ergeben sich geringere Kosten durch das simplere Fertigungsverfahren im Vergleich zu automatisierten Verfahren, bei denen ein kompletter Draht auf den Zahn 2 gewickelt wird.
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Darüber hinaus wird die Effektivität gesteigert: die einzelnen Windungen können exakt auf die benötigte Größe und Form gefertigt werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung des elektromagnetisch ungünstigen Abstands zwischen dem Zahn 2 und den jeweiligen Windungen deutlich. Ferner ergibt sich eine nachhaltige Vermeidung von Beschädigungen, welche in einem Wickelverfahren auftreten können. Zudem wird eine potentielle Nutzung von derzeit nicht erreichbaren Zahngeometrien ermöglicht. Durch die einzelnen Aufsteckelemente 10 und Verbindungselemente 11 ergibt sich die Möglichkeit, eine beliebige Verschaltung der einzelnen Spulen mit der Chance auf eine erhöhte Sicherheit in der Nutzung. Ferner können individuelle Testverfahren jeder Spule 3 oder der gesamten Wicklung nach dem Aufschieben ermöglicht werden, wodurch sich ein zusätzlicher Qualitätsnachweis ergibt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, Flachdrahtwicklungen auch in derzeit nicht erreichbaren Größen zu erstellen. Zudem ist die Reparaturmöglichkeit von einzelnen Windungen durch diese Verschaltungsart gegeben beziehungsweise ermöglicht. Durch diese flexible Verbindungsart ist die elektrische Prüfung auch nach der elektrischen Verschaltung der Einzelspule noch möglich und darüber hinaus sind die einzelnen Windungen noch prüfbar. Beispielsweise kann ein Widerstand gemessen werden oder ein Stoßspannungsprüfung durchgeführt werden. Durch die Verwendung einer Platte 20 bietet sich zudem der Vorteil einer schnellen Fertigung, einer beliebigen Verschaltung und dem direkten Aufsatz von Einzelumrichtern, entweder pro Zahn 2 oder pro Windung.
