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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, ein Hüllelement für einen Stator sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Spule.
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Die elektrischen Leiter zum Herstellen der Wicklungen von beispielsweise Statoren von Elektromotoren werden meist durch Lackdraht hergestellt. Der Lack dient hier zur elektrischen Isolation. Zum Verbinden der einzelnen Leiter wird diese Isolation an den entsprechenden Kontaktstellen abisoliert. Nach dem Herstellen der Verbindung (z. B. durch Schweißen, Löten oder (Heiß-)Crimpen etc.) muss die Fügestelle wieder isoliert werden. Dies kann z. B. durch Pulverbeschichten oder Umgießen mit einem Gießharz geschehen. Beim Umgießen mit dem Harz wird der Stator beispielsweise in einer Vorrichtung positioniert. Anschließend wird das Gießharz in die Vorrichtung eingefüllt. Nach dem Aushärten des Harzes wird die Vorrichtung wieder entfernt. Nachteilig daran ist, dass derartige Gießformen verschleißen, verschmutzen und gereinigt bzw. von Zeit zu Zeit auch ausgetauscht werden müssen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stator, ein Hüllelement sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Spule anzugeben, welche eine effektive, schnelle und kostengünstige Isolation von Statoren bzw. Spulen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Stator gemäß Anspruch 1, ein Hüllelement gemäß Anspruch 6 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Stator für eine elektrische Maschine eine Formstabwicklung, wobei die Formstabwicklung durch eine Vielzahl von Formstäben gebildet ist, welche im Bereich eines Wickelkopfes Verbindungs- oder Kontaktstellen aufweisen, wobei zumindest die Verbindungs- oder Kontaktstellen von einer Vergussschicht umhüllt sind und wobei eine Dicke der Vergussschicht durch ein Hüllelement vorgegeben ist, welches an dem Wickelkopf konturnah angeordnet bzw. befestigt ist. Dabei ist der Ausdruck „konturnah“ insbesondere dahingehend zu verstehen, dass eine Form des Hüllelements einer Form des entsprechenden Wickelkopfes möglichst folgt, wodurch insbesondere eine möglichst gleichmäßig dicke Vergussschicht bzw. eine Vergussschicht mit einer im Wesentlichen konstanten Dicke oder Wandstärke erzeugt wird. Das Hüllelement ist dabei direkt, mit anderen Worten unmittelbar, am Wickelkopf bzw. auch mittelbar, insbesondere über die Vergussschicht, am Wickelkopf angeordnet. Bei der Formstab- oder auch Hairpin-Technologie wird ein entsprechender Formdraht zwei- bzw. dreidimensional zu einem Hairpin gebogen und in ein Statorblechpaket des Stators eingefügt. Der eigentliche Wickelkopf wird dann durch Verschränken der Hairpins geformt. Hierzu werden die Enden der Hairpins gemäß dem gewünschten Schaltschema beispielsweise gegenläufig verschränkt, auf die richtige Länge geschnitten und anschließend verschweißt - wobei die vorgenannten Verbindungsstellen entstehen - , sodass eine durch den Stator verlaufende Spule entsteht.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Hüllelement einen Stirnabschnitt, welcher im Wesentlichen quer zu einer Längsachse des Stators bzw. eines Statorkerns, vgl. das vorgenannte Blechpaket, orientiert ist, sowie einen inneren und einen äußeren Hüllabschnitt, welche sich entlang der Längsachse erstrecken. Der innere Hüllabschnitt und der äußere Hüllabschnitt sind in Bezug auf die Längsachse radial zueinander angeordnet und formen zusammen mit dem Stirnabschnitt einen Anordnungsraum bzw. eine „Hülle“ für den Wickelkopf. Bevorzugt sind der Stirnabschnitt sowie die beiden Hüllabschnitte geschlossen, weisen also keine Öffnungen oder dergleichen auf, was unter anderem hinsichtlich der Herstellkosten Vorteile mit sich bringt.
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Bevorzugt ist das Hüllelement, zumindest bereichsweise, über die Vergussschicht mit dem zumindest einen Wickelkopf verbunden. Zweckmäßigerweise ist das Hüllelement, zumindest bereichsweise, über die Vergussschicht an dem Wickelkopf befestigt. Hierbei ist besonders von Vorteil, dass durch die konturnahe Form des Hüllelements eine dünne, aber auch gleichmäßige, Vergussschicht ermöglicht wird, welche vor allem auch leicht ist. Bevorzugt ist die Vergussschicht zwischen dem Hüllelement und dem Wickelkopf vollflächig ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Hüllelement Taschen und/oder Hinterschnitte auf bzw. bildet diese aus. Dies ermöglicht, dass das Hüllelement einer Geometrie bzw. einer Außenkontur des Wickelkopfes, mit Vorteil also konturnah, folgen kann. Mit anderen Worten ist das Hüllelement, wie bereits erwähnt, an die Form des Wickelkopfes angepasst bzw. folgt dieser. Hierdurch wird insbesondere auch erreicht, dass ein Vergussmaterial bzw. insbesondere ein Gießharz ressourcenschonend eingesetzt wird. Hierzu kann das Hüllelement neben den Taschen oder Ausbuchtungen auch Einbuchtungen bzw. allgemein Vor- und/oder Rücksprünge aufweisen. Typische Vergussschichtdicken liegen dabei z. B. in einem Bereich von etwa 1 bis 5 mm. Dabei ist es aber auch unproblematisch, wenn eine Dicke der Vergussschicht sozusagen „null“ beträgt, wenn also die Leiterelemente, insbesondere die Formstäbe, direkt an dem Hüllelement anliegen. In diesem Fall erfolgt die Isolation unmittelbar durch das Hüllelement. Dadurch dass das Hüllelement am Wickelkopf verbleibt ist dies aber unproblematisch.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Hüllelement zumindest bereichsweise flexibel ausgebildet. In diesem Fall erhält das Hüllelement seine finale Steifigkeit erst nach einem Aushärten der Vergussschicht. Dies kann hinsichtlich der Herstellung des Hüllelements vorteilhaft sein, da Form- und Lagetoleranzen ggf. größer ausfallen können. Alternativ handelt es sich bei dem Hüllelement aber um eine feste Form, welche auf den Wickelkopf geschoben werden kann. Bevorzugt ist das Hüllelement aus einem Kunststoff gebildet, insbesondere einem Kunststoff, welcher selbst gute elektrische Isolationseigenschaften aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Hüllelement derart ausgebildet, dass es auch kraftschlüssig an dem Wickelkopf befestigt ist. In diesem Fall ist das Hüllelement nicht ausschließlich über die Vergussmasse an dem Wickelkopf befestigt. Dies kann hinsichtlich der Montage vorteilhaft sein, da das Hüllelement auf dem entsprechenden Wickelkopf sozusagen auch „hält“, obwohl noch keine Vergussmasse bzw. noch kein Gießharz angeordnet, beispielsweise eingespritzt, ist.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Hüllelement für einen erfindungsgemäßen Stator.
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Weiter richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer Spule, insbesondere zum Herstellen bzw. Isolieren eines Stators einer elektrischen Maschine, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen einer Spule, welche zumindest einen Wickelkopf aufweist;
- - Verwenden eines Hüllelements zum Formen einer Vergussschicht auf dem zumindest einen Wickelkopf.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die im Zusammenhang mit dem Stator erwähnten Vorteile analog und entsprechend für das Verfahren sowie für das Hüllelement gelten sowie umgekehrt und untereinander.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Einbringen von Vergussmasse in das Hüllelement vor dem Anbringen des Hüllelements an dem zumindest einen Wickelkopf;
- - Eintauchen des zumindest einen Wickelkopfes in das Hüllelement.
Das Hüllelement wird beispielsweise mit (Gieß-)Harz befüllt. Anschließend wird die Spule, insbesondere ein Stator einer elektrischen Maschine, mit dem zu vergießenden Wickelkopf in das Harz eingetaucht. Anschließend kann das Harz aushärten und das Hüllelement verbleibt am Stator.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Anordnen des Hüllelements an dem zumindest einen Wickelkopf;
- - Einbringen von Vergussmasse zwischen das Hüllelement und den zumindest einen Wickelkopf.
In diesem Fall wird das Hüllelement also zuerst am Stator positioniert und anschließend mit (Gieß-)Harz befüllt. Zweckmäßigerweise weist das Hüllelement keine Einfüllöffnungen oder dergleichen für das Harz auf. Stattdessen wird das Harz gemäß einer Ausführungsform mit Vorteil in einen Spalt eingebracht, welcher zwischen dem Wickelkopf und dem Hüllelement ohnehin vorhanden ist.
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Die Möglichkeit, die Vergusskappe zu unterschiedlichen Zeitpunkten bzw. auf unterschiedliche Art und Weise zu befüllen ist ein großer produktionstechnischer Vorteil. Das Hüllelement selbst kann in beiden Fällen gleich gestaltet sein.
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Das Verwenden des Hüllelements, welches auch nach dem Vergießen an der Spule bzw. am Stator verbleibt, erhöht, insbesondere auch im Vergleich zu einer Pulverbeschichtung, deutlich die Stabilität des Stators, insbesondere die mechanische Stabilität, beispielsweise bei Schwingungen. Bevorzugt handelt es sich um einen Stator einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hyridfahrzeugs. Vorteilhaft ist auch, dass anders als bei einer konventionellen Spritzgussform auch unproblematisch Hinterschnitte und dergleichen erzeugt werden können, wodurch eine optimale Anpassung einer Form des Hüllelements an eine Form des Wickelkopfes möglich ist. Zudem entfällt das Reinigen des Spritzgusswerkzeugs, dessen Wartung etc., sodass die vorgeschlagene Lösung auch kostentechnisch interessant ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen eines Stators bzw. eines Hüllelements mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Verschiedene Merkmale können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1: einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines Hüllelements in einer schematischen Darstellung;
- 2: eine Seitenansicht eines Stators mit einem daran angeordneten Hüllelement in einer schematischen Ansicht;
- 3: eine weitere schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Hüllelements;
- 4: eine Draufsicht auf eine weitere schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Hüllelements.
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Hüllelement 20, welches einen etwa kreisringförmigen Stirnabschnitt 22 aufweist, von welchem sich ein innerer Hüllabschnitt 24 sowie ein äußerer Hüllabschnitt 26 entlang einer Längsachse L erstrecken. Die Längsachse L verläuft parallel bzw. auf einer hier nicht weiter dargestellten Statorachse. Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Vergussmasse bezeichnet, mit der das Hüllelement 20 befüllt ist. So kann beispielsweise in ein derart vorbereitetes Hüllelement 20 ein Stator mit seinem Wickelkopf eingetaucht werden. Nachdem die Vergussmasse 1, beispielsweise das Gießharz, ausgehärtet ist, verbleibt dann das Hüllelement 20 an dem Stator bzw. an dem Wickelkopf. Mit dem Bezugszeichen A ist weiter noch eine Anordnungsrichtung skizziert. Insbesondere ist damit eine Richtung gemeint, entlang derer das Hüllelement 20 auf einen Wickelkopf geschoben werden kann. Wie bereits erwähnt, kann aber auch entgegen dieser Anordnungsrichtung A der Wickelkopf in das Hüllelement 20 hinein bewegt werden.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Stators 10, welcher stirnseitig je einen Wickelkopf 12 aufweist. Der Stator erstreckt sich entlang einer Längsachse L bzw. entlang einer Statorachse S. Der hier skizzierte Stator 10 weist beispielsweise eine Formstabwicklung auf, wobei die Formstäbe bzw. Hairpins von der rechten Seite her in einen Statorkern eingeschoben sind. Im linken Teil sind die Formstäbe dann zu dem dort skizzierten Wickelkopf 12 verschränkt bzw. auch verschaltet. In diesem Bereich, welcher geschnitten dargestellt ist, ist nun ein Hüllelement 20 entlang der Anordnungsrichtung A auf den Wickelkopf 12 geschoben, sodass nach dem Vergießen um den Wickelkopf 12 herum eine Vergussschicht 2 geformt ist. Zumindest schematisch ist zu erkennen, dass eine Form des Hüllelements 20, insbesondere dessen Anordnungsraum, welcher durch den Stirnabschnitt sowie den inneren und den äußeren Hüllabschnitt gebildet wird, vgl. diesbezüglich auch die 1, einer Form des Wickelkopfes 12 folgt. Im Bereich des Wickelkopfes 12 ist weiter noch ein Phasenanschluss 14 vorgesehen, der der elektrischen Kontaktierung des Stators 10 dient.
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3 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung ein Hüllelement 20, wobei in der hier gezeigten Ausführungsform zu erkennen ist, dass das Hüllelement 20 Taschen 28 aufweisen kann, welche sich von einem Stirnabschnitt 22 oder von einem äußeren Hüllabschnitt 26 radial bzw. axial weg erstrecken.
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4 zeigt, ähnlich wie die 3, eine Vielzahl von Taschen 28, wobei zu erkennen ist, dass sich die Taschen 28 entlang einer Längsachse L bzw. einer Anordnungsrichtung A erstrecken. Ein Hüllelement 20 ist hier in einer Draufsicht gezeigt (entlang der Anordnungsrichtung A gesehen). Die Taschen 28 erstrecken sich radial und axial zur Längsachse L des Hüllelements 20. Grundsätzlich dienen derartige Taschen dazu, dass das Hüllelement möglichst exakt einer Form bzw. Geometrie des darunter liegenden Wickelkopfes folgen kann. Gerade wenn der Wickelkopf beispielsweise mit einer Phasenanschlussbaugruppe, wie in der 2 skizziert (dort Bezugszeichen 14), verbunden wird, kann es vorkommen, dass einige Formstäbe quasi vom Wickelkopf „wegstehen“. Die Taschen 28 bzw. auch Ausbuchtungen, Hinterschnitte und dergleichen ermöglichen dennoch eine gleichmäßige Dicke der Vergussschicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vergussmasse
- 2
- Vergussschicht
- 10
- Spule, Stator
- 12
- Wickelkopf
- 14
- Phasenanschluss
- 20
- Hüllelement
- 22
- Stirnabschnitt
- 24
- innerer Hüllabschnitt
- 26
- äußerer Hüllabschnitt
- 28
- Tasche
- L
- Längsachse
- S
- Statorachse
- A
- Anordnungsrichtung
