DE102018219539A1

DE102018219539A1 - Verschaltungsanordnung für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102018219539A1
Application number: DE102018219539.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schrenk; Jochen Wittmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschaltung für eine elektrische Maschine, wobei die Verschaltung eine Mehrzahl von Schaltringen (1) umfasst, welche sich jeweils zumindest über einen Teil des Umfangs erstrecken, wobei die Schaltringe (1) in einem gemeinsamen Träger (8) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (8) die Schaltringe (1) nur teilweise umschließt. Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer derartigen Verschaltung sowie eine Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen Maschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschaltungsanordnung für eine elektrische Maschine mit einer Wicklung aus mehrere Formstäben, die zumindest zwei in Umfangsrichtung beabstandete Nuten durchlaufen und auf einer Seite der elektrischen Maschine Kontaktstellen aufweisen, welche zur Bildung der Wicklung miteinander verbunden werden. Derartige Wicklungen werden auch als Hairpin-Wicklung oder Wellenwicklung bezeichnet, wobei im Folgenden nur die Bezeichnung Hairpin beziehungsweise Hairpin-Wicklung verwendet wird, wobei hiermit im Sinne der Anmeldung auch Wellenwicklungen und dergleichen umfasst sind.
Im Stand der Technik ist bekannt Anschlusspins von Wicklungen von elektrischen Maschinen, insbesondere des Stators, am Wickelkopf entsprechend der für die Spulen der Wicklung benötigten Polung über entsprechende Leiter zu verbinden. Die Leiter werden hierzu zu einer gemeinsamen Verschaltungsanordnung verbunden, wobei die Leiter, abgesehen von den Anschlüssen, vollflächig von einem isolierenden Grundkörper umschlossen sind.
Probleme des Standes der Technik liegen unter anderem in der begrenzten Wärmeabfuhr der Verschaltung, welche bei immer höher werdenden Leistungen der E-Maschine ein zu berücksichtigender Faktor werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Verschaltung, die einfach und schnell herzustellen ist sowie eine gute Wärmeabfuhr von der Verschaltung ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Verschaltung und einer elektrischen Maschine sowie einem Verfahren zu deren Herstellung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist eine Verschaltung für eine elektrische Maschine, wobei die Verschaltung eine Mehrzahl von Schaltringen umfasst, welche sich jeweils zumindest über einen Teil des Umfangs erstrecken, wobei die Schaltringe in einem gemeinsamen Träger aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger die Schaltringe nur teilweise umschließt.
Eine Hairpin-Wicklung wird aus mehreren Hairpins beziehungsweise Formstäben gebildet, die an ihren Enden am Wickelkopf Kontaktstellen aufweisen. An den Kontaktstellen werden jeweils zumindest zwei Hairpins miteinander elektrisch leitend verbunden um aus den Hairpins die Spulen der Hairpin-Wicklung herzustellen. Die miteinander verbundenen Kontaktstellen werden als Hairpin-Enden bezeichnet und die jeweiligen einzelnen Kontaktstellen am Start und Ende der jeweiligen Spulen werden als Anschlusspins bezeichnet. Zur Steuerung der elektrischen Maschine werden die Anschlusspins mit einer Verschaltung elektrisch leitend verbunden.
Um eine elektrische Maschine betreiben zu können, müssen die Spulen der Bauart entsprechend jeweils mit einer Phase oder einem Neutralleiter verbunden werden, welche in der Regel über eine Leistungselektronik gesteuert werden. Damit die Leistungselektronik mit einem gemeinsamen Kontakt gegebenenfalls mehrere Spulen beziehungsweise genauer mehrere Anschlusspins versorgen kann, ist eine Verschaltung vorgesehen, die Schaltringe umfasst. Jeder Schaltring ist mit einer Phase der Leistungselektronik oder dem Neutralleiter verbunden. Die Anschlusspins sind dem Aufbau der elektrischen Maschine entsprechend jeweils mit einem der Schaltringe elektrisch leitend verbunden, wobei mehrere Anschlusspins mit dem gleichen Schaltring verbunden sein können.
Die Schaltringe erstrecken sich jeweils in Umfangsrichtung zumindest über einen Teilbereich, damit von der Hairpin-Wicklung vorstehende Anschlusspins mit dem entsprechenden Schaltring verbunden werden können.
Der Teilbereich in Umfangsrichtung umfasst hierbei vorzugsweise mindestens den Winkel zwischen Anschlusspins gleicher Phase. Zur Erhöhung der Stabilität und für eine bessere Handhabung können sich die Schaltring und/oder der Träger in dem sie aufgenommen sind, auch über den kompletten Umfang erstrecken.
Die Schaltringe sind in einem gemeinsamen Träger aufgenommen, wodurch diese zueinander fest positioniert und gegenüber einander elektrisch isoliert sind.
Jedoch werden die Schaltringe vom Träger nur teilweise umschlossen, wodurch die nicht umschlossenen Teile der Schaltringe frei liegen und somit eine verbesserte Wärmeabfuhr erfolgt.
Um eine elektrische Isolierung der Schaltringe zueinander unabhängig vom Kühlmedium sicherzustellen, können zumindest die nicht vom Träger umschlossenen Teile der Schaltringe mit einer zusätzlichen Isolierschicht beschichtet sein. Alternativ können die Schaltringe auch vor der Montage mit dem Träger vollflächig mit einer zusätzlichen Isolierschicht beschichtet werden.
Ausführungsformen einer Verschaltung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltringe einen rechteckigen Querschnitt mit jeweils zwei Langseiten und zwei Kurzseiten aufweisen, und dass der Träger jeweils eine Kurzseite und die beiden Langseiten teilweise überdeckt. Die parallel angeordneten Schaltringe weisen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf. Um eine sichere Aufnahme im Träger zu gewährleisten, ist jeweils eine Kurzseite der Schaltringe sowie Teilbereiche der beiden Langseiten im Träger aufgenommen. Somit bleibt eine Kurzseite sowie die verbleibenden Bereiche der Langseiten frei, wodurch eine gute Wärmeabfuhr sichergestellt werden kann.
Verschaltungen sind in Ausführungsformen dadurch gekennzeichnet, dass der Träger zwischen den Schaltringen Abstufungen aufweist. Die Abstufungen sind an den Teilen des Trägers vorgesehen, welche die Langseiten der Schaltringe teilweise überdecken und können entlang der Schaltringe vorgesehen sein, um die freie Fläche der Schaltringe zu vergrößern, wodurch eine verbesserte Kühlung erreicht werden kann. Besonders bevorzugt sind die Abstufungen jedoch zwischen benachbarten Teilen des Trägers vorgesehen, welche unterschiedliche Schaltringe halten. Durch die Abstufungen, bei denen der Träger eine gegenüber den Teilen, die die Schaltringe halten, abweichende Dicke aufweisen, können zusätzlich ausreichende Luft- und Kriechstrecken sichergestellt werden.
Ausführungsformen einer Verschaltung sind dadurch gekennzeichnet, dass der Träger Rippen aufweist. Um den Materialeinsatz für den Träger gering zu halten und gleichzeitig eine ausreichende Steifigkeit zu erreichen, weist der Träger Rippen auf. Vor allem in Bereichen, in denen kein Schaltring gehalten ist. Die Rippen können auch zwischen den Schaltringen vorgesehen werden. Neben einer Versteifung des Trägers können die Rippen auch zusätzliche Funktionen aufweisen, wie beispielsweise eine Kühlmittelführung oder als Positionierhilfe. Insbesondere können in Ausführungsformen auch auf der den Schaltringen abgewandten Seite des Trägers Rippen vorgesehen sein, welche vor allem während der Montage als temporäre Fixierung beziehungsweise Positionierhilfe dienen können.
Verschaltung sind in Ausführungsformen dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltringe formschlüssig im Träger befestigt sind. Um die Schaltringe sicher im Träger zu halten, sind diese mit einer formschlüssigen Verbindung verbunden.
Die formschlüssige Verbindung kann in Ausführungsformen der Verschaltung dadurch gekennzeichnet sein, dass die Schaltringe Aussparungen aufweisen, in welche Material des Trägers oder am Träger vorgesehene Rastelemente eingreifen. Werden die Schaltringe mit dem Träger umspritzt, kann das Material des Trägers direkt in die Aussparungen fließen, wodurch eine sichere, formschlüssige Verbindung hergestellt wird.
Alternativ kann der Träger auch separat mit Rastelementen hergestellt werden und diese Rastelemente greifen bei der Montage in die Aussparungen ein. Die Rastelemente können hierbei federnde Elemente oder Abschnitte sein, welche in Aussparungen der Schaltringe eingreifen oder auch feste Stege, welche in nach außen offene Aussparungen eingreifen, beispielsweise in Art eines Bajonett-Verschluss.
Die formschlüssige Verbindung kann in Ausführungsformen der Verschaltung auch dadurch gekennzeichnet sein, dass an den Schaltringen Vorsprünge vorgesehen sind, welche vom Material des Trägers oder von am Träger vorgesehenen Rastelementen umgriffen sind. Entsprechend der oben genannten Ausführungsformen mit Aussparungen an den Schaltringen, können analog am Schaltring Vorsprünge vorgesehen sein, welche vom Material des Trägers umschlossen sind oder in entsprechende Aussparungen am Träger eingreifen.
Weitere Ausführungsformen der formschlüssigen Verbindung einer Verschaltung sind dadurch gekennzeichnet, dass der Träger den Querschnitt der Schaltringe über einen Teil des Umfangs auf allen Seiten zumindest teilweise umschließt. Anstelle von Aussparungen im Schaltring kann der Träger den Schaltring auch auf allen Seiten des Umfangs umschließen. Die Breite der umschließenden Bereiche in Umfangsrichtung sollte hierbei maximal der Länge einer Langseite des Querschnitts des Schaltrings entsprechen, um eine Reduzierung der Wärmeabfuhr möglichst gering zu halten. Um eine sichere Aufnahme des Schaltrings im Träger zu gewährleisten weist der umschließende Abschnitt vorzugsweise mindestens die Breite einer Kurzseite des Querschnitts des Schaltrings auf. Damit eine zusätzliche Fixierung in Umfangsrichtung erfolgt, kann der Schaltring nach außen offene Aussparungen oder Nuten aufweisen, in welche die umschließenden Bereiche eingreifen.
Über den Umfang sind vorzugsweise mehrere umschließende Bereiche vorgesehen, um einen sicheren Halt über die komplette Erstreckung zu gewährleisten. Dies gilt auch analog für die weiteren oben genannten Ausführungsformen für eine formschlüssige Verbindung.
Verschaltung gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass an den Schaltringen mehrere Verbindungsleiter vorgesehen sind, und wobei jeder Anschlusspin mit einem Schaltring über einen Verbindungsleiter elektrisch leitend verbindbar ist, und dass ein Verbindungsleiter zumindest mit zwei Anschlusspins verbindbar ist. Die Anschlusspins werden mit dem jeweils entsprechenden Schaltring über einen Verbindungsleiter elektrisch leitend verbunden. Hierbei ist ein Verbindungsleiter zumindest mit zwei Anschlusspins verbindbar. Eine Hairpin-Wicklung ist in der Regel mit mehreren parallel oder seriell verschalteten Teilwicklungen ausgebildet, welche entsprechend jeweils Anschlusspins aufweisen. Die Teilwicklungen werden vorzugsweise derart in der elektrischen Maschine angeordnet, dass Anschlusspins unterschiedlicher Teilwicklungen, welche einer gleichen Phase zugeordnet sind, benachbart zueinander positioniert sind. Anstatt die Anschlusspins einzeln mit dem Schaltring zu verbinden, werden zumindest zwei benachbarte Anschlusspins über einen Verbindungsleiter mit einem Schaltring verbunden. Hierdurch kann der Querschnitt des Verbindungsleiters vergrößert werden, was hinsichtlich der mechanischen Stabilität als auch hinsichtlich der übertragbaren elektrischen Leistungen vorteilhaft ist. Des Weiteren müssen vor dem Fügen, zum Beispiel Verschweißen, der Anschlusspins mit dem Verbindungsleiter weniger Bauteile zueinander ausgerichtet werden.
Ausführungsformen einer Verschaltung sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsleiter einen Teilbereich aufweist, welcher in Umfangsrichtung eine Breite aufweist, um zwischen zwei benachbarten Anschlusspins anordenbar zu sein. Um zumindest zwei Anschlusspins kontaktieren zu können, wird zumindest ein Teilbereich des Verbindungsleiters in Umfangsrichtung beziehungsweise in tangentialer Richtung zwischen den benachbarten Anschlusspin angeordnet. Die Breite des Teilbereichs entspricht daher etwa der lichten Weite zwischen den Anschlusspins, welche der Breite des vom Radius abhängigen Zahns zwischen zwei benachbarten Nuten, in denen die Wicklung vorgesehen ist, entspricht. Die Breite des Verbindungsleiters kann hierbei auch etwas kleiner als die lichte Weite zwischen den Anschlusspins vorgesehen sein, wodurch die Positionierung vereinfacht wird, jedoch durch einen zusätzlichen Schritt sichergestellt werden muss, dass die Anschlusspins beim Fügen am Verbindungsleiter anliegen. Durch eine Breite des Verbindungsleiters, welche größer als die lichte Weite zwischen den Anschlusspins ist, ist ein Anliegen beim Fügen sichergestellt, jedoch wird die Positionierung des Teilbereichs zwischen den Anschlusspins erschwert. Die Breite des zwischen den Anschlusspins angeordneten Teilbereichs des Verbindungsleiters liegt somit vorzugsweise im Bereich vom Lw+b bis Lw-b, wobei Lw die lichte Weite zwischen zwei benachbarten Anschlusspins und b die Dicke eines Anschlusspins in tangentialer Richtung darstellt.
Verschaltungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsleiter in Umfangsrichtung eine Breite aufweist, welche mindestens zwei benachbarte Anschlusspins überdeckt. Alternativ oder kumulativ kann der Verbindungsleiter die Anschlusspins an der radial inneren oder äußeren Seitenfläche kontaktieren. Hierzu weist der Verbindungsleiter mindestens eine Breite auf, welche der lichten Weite Lw und dem doppelten einer Breite b eines Anschlusspins entspricht. Um mehr als zwei Anschlusspins zu kontaktieren, kann der Verbindungsleiter auch entsprechend breiter ausgeführt sein. Auch ein Überstand des Verbindungsleiters in tangentialer Richtung ist möglich, wobei der Überstand nicht größer als eine Breite eines Anschlusspins sein sollte, um hinsichtlich eventueller weiterer benachbarter Bauteile eine elektrische Isolierung zu ermöglichen.
Ausführungsformen einer Verschaltung sind dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsleiter kammartig ausgebildet ist, um jeweils einen Anschlusspin an zwei Seiten zu kontaktieren. Wird der Verbindungsleiter mit einer Breite, welche zumindest zwei benachbarte Anschlusspins überdeckt, vorgesehen, können ebenfalls Teilbereiche, welche sich zwischen die Anschlusspins erstrecken, vorgesehen sein. Diese Teilbereiche weisen eine Breite in tangentialer Richtung auf, welche etwa der lichten Weite entspricht. Durch die Teilbereiche können die Anschlusspins an zumindest zwei Seiten durch den Verbindungsleiter kontaktiert werden, wodurch sich der Querschnitt der Verbindung entsprechend vergrößert.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weisen die Teilbereiche eine sich verändernde Breite in radialer Richtung auf, wobei die Breite an dem Verbindungsleiter abgewandten Ende des Teilbereichs kleiner als die lichte Weite zwischen den Anschlusspins ist, um ein Positionieren zwischen den Anschlusspins zu erleichtern.
Verschaltungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Schaltringe jeweils einen Leistungsanschluss aufweisen, um den Schaltring elektrisch leitend mit einer Leistungselektronik zu verbinden. Um eine elektrischen Kontaktierung der Schaltringe zu erreichen, sind diese mit einer Leistungselektronik verbunden, wobei abhängig von der elektrischen Anordnung der Spulen auch ein Teil der Schaltringe nur Anschlusspins unterschiedlicher Spulen miteinander verbinden kann, ohne direkt mit einer Leistungselektronik verbunden zu sein. Zur Anbindung an die Leistungselektronik ist an den entsprechenden Schaltringen jeweils ein Leistungsanschluss vorgesehen. Die Leistungsanschlüsse dienen als Anbindungspunkte für Leitungen zur Leistungselektronik und sind mit entsprechenden Steck-, Schraub- oder Klemmverbindungen vorgesehen, wobei auch Schweiß- oder Lötverbindungen möglich sind.
Bevorzugte Ausführungsformen einer Verschaltung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsanschlüsse in einer Reihe mit einer parallelen Ausrichtung vorgesehen sind. Um die Anbindungspunkte bereit zu stellen, weisen die Leistungsanschlüsse eine im Vergleich zum Schaltring größere Abmessung in Richtung der benachbarten Schaltringe auf, weshalb diese an unterschiedlichen Stellen entlang des Umfangs angeordnet sind. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Leistungsanschlüsse relativ benachbart in einer Reihe zueinander angeordnet sind. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass die Leistungsanschlüsse mit einer parallelen Ausrichtung zueinander angeordnet sind, um beispielsweise bei Steck- oder Schraubverbindungen eine gleiche Einsteckrichtung beziehungsweise parallele Gewinde aufzuweisen. Weiter bevorzugt ist, dass die Stirnseiten der Leistungsanschlüsse auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wodurch insbesondere in Verbindung mit den anderen vorgenannten Ausführungsformen, die Verwendung von standardisierten Steckern oder Gehäusedurchgängen vereinfacht wird.
Verschaltungen in bevorzugten Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsanschlüsse jeweils über eine Stromschiene oder über eine Aussparung im Querschnitt, wobei die Aussparung der Form des Schaltrings entspricht, mit dem Schaltring elektrisch leitend verbunden sind. Die Querschnittsfläche der Leistungsanschlüsse ist gegenüber der des zugehörigen Schaltrings gleich oder grö-ßer. Aufgrund der mehreren, benachbart angeordneten, insbesondere rechteckigen, Schaltringe erfolgt die Verbindung mit den Leistungsanschlüssen von einer Schmalseite her. Im Querschnitt eines Leistungsanschlusses ist vorzugsweise eine Aussparung vorgesehen, welcher der Form des Schaltrings entspricht, um neben einer Schmalseite des Schaltrings auch zumindest eine der Breitseiten des Schaltrings zu kontaktieren, um die Kontaktfläche zu vergrößern. Die Aussparung kann am Rand vorgesehen sein, wodurch der Schaltring an zwei Seiten kontaktiert werden kann, oder auch innerhalb, um den Schaltring auf drei Seiten zu kontaktieren.
Alternativ kann ein Leistungsanschluss über eine Stromschiene erfolgen, welche an einer Seite, vorzugsweise einer Schmalseite, des Schaltrings angebunden ist. Besonders bevorzugt ist eine Ausbildung, bei der die Stromschiene einteilig mit dem Schaltring ausgebildet ist. Die Stromschiene kann entsprecht geformt beziehungsweise umgeformt sein, um den Anbindungspunkt des Leistungsanschlusses entsprechend den Bauraum und weitgehend unabhängig von der Position der Verschaltung zu positionieren.
Ausführungsformen einer Verschaltung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltringe koaxial oder in axialer Richtung parallel zueinander verlaufen. Die Schaltring sind benachbart zueinander angeordnet, wobei zwischen ihnen noch elektrisch isolierendes Material eines Trägers angeordnet ist.
Verschaltung sind gemäß Ausführungsformen dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltringe ringförmig, sich über den gesamten Umfang erstreckend, ausgebildet sind. Die Schaltring weisen somit eine Form einer Ringscheibe oder einer Hülse auf. Aufgrund dieser Ausgestaltung können die Schaltring mit dazwischenliegender Isolierung durch den Träger als in axialer Richtung gestapelt Ringscheiben oder als koaxiale Hülsen angeordnet werden, wodurch Schaltring mit einem ausreichend großen Leitungsquerschnitt bei relativ geringem Bauraum bereitgestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einer Hairpin-Wicklung, welche dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschaltung gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen ist, und dass der Träger zwischen den Schaltringen und der Hairpin-Wicklung angeordnet ist. Durch die Anordnung des Trägers zwischen der Hairpin-Wicklung und den Schaltringen kann eine elektrische Isolierung sichergestellt werden. Des Weiteren sind die Schaltringe für ein Kühlmedium gut erreichbar.
Weitere Ausführungsformen einer elektrischen Maschine sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsleiter mit zumindest zwei Anschlusspins verbunden ist. Benachbarte Anschlusspins einer gleichen Phase sind über einen Verbindungsleiter mit einem entsprechenden Schaltring der Phase verbunden. Hierdurch kann der Querschnitt des Verbindungsleiters vergrößert werden, was hinsichtlich der mechanischen Stabilität als auch hinsichtlich der übertragbaren elektrischen Leistungen vorteilhaft ist. Des Weiteren müssen vor dem Fügen, zum Beispiel Verschweißen, der Anschlusspins mit dem Verbindungsleiter weniger Bauteile zueinander ausgerichtet werden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Verschaltung, wie jeweils beschrieben, ist ein weiterer Aspekt der Erfindung, umfassend die Verfahrensschritte

- Bereitstellen der Schaltringe mit einer Aussparung,
- Positionieren der Schaltringe in einer Spritzgussform, wobei die Schaltringe nur teilweise in der Kavität der Spritzgussform positioniert werden und wobei die Aussparungen in der Kavität der Spritzgussform positioniert werden,
- Umspritzen der Schaltringe mit elektrisch isolierendem Material zur Erzeugung des Trägers, wobei das Material die Aussparungen der Schaltringe ausfüllt und eine formschlüssige Verbindung erzeugt.

Alternative Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung einer Verschaltung gemäß der obigen Beschreibung sind dadurch gekennzeichnet, dass sie die Verfahrensschritte umfassen:

- Bereitstellen der Schaltringe mit einer Aussparung,
- Bereitstellen eines Trägers aus isolierendem Material,
- Einsetzen der Schaltringe in den Träger, wobei Rastelemente oder Vorsprünge des Trägers mit den Aussparungen der Schaltringe in Eingriff gebracht werden und eine formschlüssige Verbindung erzeugen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Bauteile werden mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Verschaltung.
2a; 2b zeigen radial verlaufende Schnittdarstellungen gemäß 1 an zwei unterschiedlichen Stellen
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für Schaltringe
4 zeigt einen Teil des Ausführungsbeispiels gemäß 1 oder 3 zusammen mit einer Hairpin-Wicklung.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für Schaltringe.
6 zeigt einen Teil des Ausführungsbeispiels mit Schaltringen gemäß 5 zusammen mit einer Hairpin-Wicklung.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Verschaltungsanordnung gezeigt. Die Verschaltungsanordnung umfasst mehrere Schaltringe (1), welche weitgehend koaxial zueinander angeordnet sind und sich jeweils um einen Teil des Umfangs erstrecken. Alternativ sind auch Ausführungsbeispiele möglich, bei denen sich die Schaltringe (1) über den kompletten Umfang erstrecken und/oder Ausführungsbeispiele, bei denen die Schaltringe (1) als in axialer Richtung benachbarte Ringscheiben beziehungsweise Ringscheibensegmente ausgeführt sind. Im gezeigten Beispiel sind drei Schaltringe (1) jeweils mit einem Leistungsanschluss (4) versehen, durch welche die Schaltringe (1) jeweils entsprechend mit unterschiedlichen Phasen einer Leistungselektronik verbindbar sind.
Das Ausführungsbeispiel in 1 umfasst zusätzlich Schaltringe (1), welche keinen Leistungsanschluss (4) aufweisen und beispielsweise zum Verbinden verschiedener Spulensträngen der Hairpin-Wicklung dienen, insbesondere als Sternpunkt bei einer Sternschaltung der Spulen. Dargestellt sind zwei diametral gegenüberliegende Teilsegmente als zusätzliche Schaltringe (1), welche auf einem gleichen Umfangsradius angeordnet sind. Hierdurch wird zum Beispiel eine Verschaltung für eine Hairpin-Wicklung mit zwei parallel angeordneten Teilspulen ermöglicht. Abhängig von der Ausgestaltung der Hairpin-Wicklung der elektrischen Maschine können entsprechend auch mehrere entsprechende zusätzliche Schaltringe (1) oder auch nur ein einzelner entsprechender zusätzlicher Schaltring (1) vorgesehen werden oder es kann auch auf zusätzliche Schaltringe (1) ohne Leistungsanschluss (4) verzichtet werden, wie beispielsweise bei einer Dreiecksschaltung.
An jedem Schaltring (1) sind im gezeigten Ausführungsbeispiel mindestens zwei Verbindungsleiter (2) vorgesehen, um den jeweiligen Schaltring mit in 1 nicht dargestellten Anschlusspins (7) der Hairpin-Wicklung zu verbinden. Die Verbindungsleiter (2) sind mit der oberen Schmalseite der rechteckigen Schaltringe (1) in axialer Richtung verbunden und ändern die Ausrichtung im weiteren Verlauf in radiale Richtung, um eine Kontaktierung von an den Schaltringen (1) vorbeigeführten Anschlusspins (7) zu ermöglichen. Vorzugsweise enden die Verbindungsleiter (2) auf einer gleichen Höhe sowohl in axialer als auch in radialer Richtung, wodurch die Verbindung mit den Anschlusspins (7) vereinfacht wird. Jeder Verbindungsleiter (2) weist in 1 eine Breite auf, die mehrere - hier drei - Anschlusspins (7) überdeckt. Zusätzlich weist jeder Verbindungsleiter (2) an seinem vorderen Ende Teilbereiche (3) auf, welche eine geringere Breite aufweisen und derart voneinander in tangentialer Richtung beabstandet sind, dass die Teilbereiche (3) zwischen benachbarten, mit dem Verbindungsleiter (2) zu verbindenden Anschlusspins (7) angeordnet werden kann. Durch diese Teilbereiche kann der Anschlusspin (7) auf mindestens zwei Seiten vom Verbindungsleiter (2) kontaktiert werden, wodurch die mechanische Stabilität sowie die übertragbare elektrische Leistung verbessert werden kann.
Zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Leistungselektronik, weißt zumindest ein Teil der Schaltringe (1) jeweils einen Leistungsanschluss (4) auf. Die schematisch dargestellten Leistungsanschlüsse (4) sind in axialer Richtung vorgesehen. Im dargestellten Beispiel sind drei Schaltringe (1) jeweils mit einem Leistungsanschluss (4) verbunden. Die drei Leistungsanschlüsse sind zueinander und in einer Reihe ausgerichtet. Abhängig von der Anordnung der Leistungselektronik beziehungsweise der Stromführung können die Leistungsanschlüsse (4) auch anders angeordnet werden und beispielsweise nicht in einer Reihe, nicht parallel und/oder mit unterschiedlichen Höhen angeordnet sein. Prinzipiell wird jedoch eine Anordnung in räumlicher Nähe und mit einer einheitlichen Höhe bevorzugt, da hierdurch die Durchführung durch Gehäusebauteile oder auch eine Verwendung von Steckverbindungen vereinfacht wird.
Die Leistungsanschlüsse (4) sind auf Stromschienen (5) vorgesehen, welche jeweils mit einem Anbindungsabschnitt (6) des entsprechenden Schaltrings (1) verbunden sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stromschienen (5) U-förmig ausgeführt und umschließen axial vorstehende Anbindungsabschnitte (6) der Schaltringe (1) auf drei Seiten.
Im Ausführungsbeispiel der 1 sind vier Schaltringe (1) gezeigt, wobei der äußere Schaltring (1) keinen Leistungsanschluss (4) aufweist und in zwei separate Kreisringsegmente geteilt ist, wobei die Leistungsanschlüsse (4) der anderen Schaltringe (1) in einem Bereich zwischen den Kreisringsegmenten angeordnet sind. Schaltringe (1) ohne Leistungsanschluss (4) können beispielsweise zur Verbindung von unterschiedlichen über den Umfang verteilten Teilspulen verwendet werden sowie auch als Sternpunkt einer Sternschaltung dienen.
Der Träger (8) nimmt im dargestellten Beispiel den in axialer Richtung gesehenen unteren Teil der Schaltringe (1) auf. Der Träger (8) ist aus einem isolierenden Material, vorzugsweise einem Kunststoff, hergestellt und umfasst eine in radialer Richtung geschlossene Grundfläche. In der Grundfläche sind Nuten für die Aufnahme der Schaltringe (1) vorgesehen. Um die Kriechstrecken zwischen den Schaltringen (1) zu vergrößern, sind zusätzlich in axialer Richtung vorstehende Abstufungen (9) vorgesehen, welche sich in Umfangsrichtung erstrecken und vorzugsweise mit einer Wand einer Nut eine gemeinsame Umfangsfläche bilden. Zwischen zwei Schaltringen (1) ist vorzugsweise nur eine Abstufung (9) vorgesehen.
Alternativ kann die Grundfläche auch ohne Nuten ausgeführt sein und die Schaltringe (1) in radialer Richtung durch jeweils zwei Abstufungen (9) gehalten werden. In diesem Falls sind entsprechend zwischen zwei Schaltringen (1) jeweils zwei Abstufungen (9) vorgesehen.
Insbesondere in Bereichen des Trägers (8) ohne Schaltringe (1) können Rippen (10) vorgesehen sein, um den Träger (8) beziehungsweise die Verschaltung zu versteifen.
2a und 2b zeigen jeweils eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels gemäß 1. Hier sind jeweils die Schaltringe (1) zum Teil mit Verbindungsleiter (2) gezeigt, welche im Träger (8) aufgenommen sind. Im Schnitt sind die Abstufungen (9) zu erkennen, welche jeweils einen Schaltring (1) an einer, im Beispiel der inneren, Umfangsfläche teilweise abdeckt und durch Verlängerung der Kriechstrecke die Isolierung der Schaltringe (1) zueinander verbessert.
Die Schnittdarstellung in 2a liegt in einem Bereich, in dem vier Schaltringe (1) mit Ihrem vollen Querschnitt koaxial verlaufen.
Bei 2b liegt der Schnitt in einem Bereich, in dem zwei der vier Schaltringe (1) eine Aussparung (11) aufweisen, mit welcher die Schaltringe (1) im Träger (8) befestigt sind. Aussparungen (11) können bevorzugt im Bereich der Verbindungsleiter (2) angeordnet sein, da ein verringerter Querschnitt durch den zusätzlichen Querschnitt des Verbindungsleiters (2) ausgeglichen wird, wie beispielsweise beim linken beziehungsweise inneren Schaltring (1) in 2b gezeigt. Vor allem im Randbereich oder bei entsprechender Dimensionierung können die Aussparungen (11) jedoch auch außerhalb der Bereich der Verbindungsleiter (2) angeordnet sein.
Im gezeigten Beispiel sind die Aussparungen (11) der einzelnen Schaltringe (1) abwechselnd an gleichen Positionen des Umfangs vorgesehen, wie dem inneren sowie dem von innen dritten Schaltring (1) in 2b. Alternativ können die Aussparungen (11) auch für alle Schaltringe (1) an einer gleichen Stelle des Umfangs angeordnet sein, wodurch die Herstellung eines vorgefertigten Trägers gegebenenfalls vereinfacht werden kann. Es können die Aussparungen (11)jedoch auch unterschiedlichen Stellen des Umfangs angeordnet sein, insbesondere um stets einen ausreichenden Querschnitt sicherzustellen.
Die Aussparungen (11) können hierbei als umseits geschlossene Durchbrüche ausgeführt sein, durch welche das Material des Trägers (8) durch Urformen während des Gießprozesses oder durch eine Umformung durchtritt. Alternativ können die Aussparungen (11) nach außen offen sein, um entsprechend geformte Elemente des Trägers (8) aufnehmen zu können.
Bei nach außen offenen Aussparungen (11) verlaufen die Aussparungen (11) vorzugsweise nicht geradlinig entlang einer axial oder radial orientierter Achse, sondern geneigt zu dieser beziehungsweise weisen Abschnitte mit unterschiedlicher Ausrichtung auf. Hierdurch können die Elemente des Trägers (8) in den Aussparungen (11) aufgenommen werden und durch eine Relativbewegung der Bauteile zueinander eine formschlüssige Verbindung hergestellt werden.
In weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können auch am Träger (8) vorgesehene Rastelemente in die Aussparungen (11) eingreifen.
Ein analoges Prinzip, bei dem die Schaltringe (1) entsprechende Elemente aufweisen, die in Aussparungen (11) am Träger (8) aufgenommen werden, ist ebenfalls in weiteren Ausführungsbeispielen möglich. Vorteilhaft hierbei ist, dass keine Reduzierung des Querschnitts der Schaltringe (1) durch eine Aussparung (11) erfolgt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für Schaltringe (1), wie sie in einem in 3 nicht gezeigten Träger (8) aufgenommen sein können. Wie in 1 sind auch bei diesem gezeigten Ausführungsbeispiel die Verbindungsleiter am axial oberen Ende und nach radial außen vorgesehen. Abhängig vom vorhandenen Bauraum sowie der Ausgestaltung der elektrischen Maschine sowie deren Hairpin-Wicklung und die Anordnung der Verschaltung zu dieser, sind auch andere Ausführungsformen möglich. Die Verbindungsleiter (2) können auch, gegebenenfalls teilweise, nach innen geformt sein. Ebenso können die Verbindungsleiter (2) an der unteren, der Hairpin-Wicklung zugewandten Schmalseite, welche eine Stirnseite darstellt, des jeweiligen Schaltrings (1) vorgesehen sein.
Entsprechendes gilt für Ausführungsformen mit Schaltringen (1), bei denen die Schaltringe (1) jeweils als in axialer Richtung benachbarter Ringscheiben beziehungsweise Ringscheibensegmente ausgebildet sind, wobei sich die Verbindungsleiter (2) vorzugsweise von den inneren oder äußeren Umfangsflächen, welche wiederum die Schmalseiten der Schaltringe (1) darstellen, ausgehen. Der Träger (8) wird in diesen Ausführungsformen vorzugsweise an der radial den Verbindungsleitern (2) gegenüberliegenden Schmalseiten der Schaltringe (1) vorgesehen.
Die Verbindungsleiter (2) können wie bei den in 1 oder 3 dargestellten Beispielen mit koaxialen Schaltringen (1) ebenfalls in radialer Richtung ausgerichtet sein, wobei auch Ausführungsformen möglich sind, bei denen die Verbindungsleiter (1) in axialer Richtung ausgerichtet sind.
Im Gegensatz zu 1 sind die Leistungsanschlüsse (4) in 3 nicht mit U-förmigen Stromschienen (5) an axial vorstehenden Anbindungsabschnitten (6) der Schaltringe (1) angebunden. Um eine große Kontaktfläche zwischen Leistungsanschluss (4) und Schaltring (1) zu erreichen, befinden sich die Anbindungsabschnitte zumindest teilweise auf zumindest jeweils einer Langseite der Schaltringe (1). Die die Leistungsanschlüsse (4) tragenden Stromschienen (5) verlaufen zumindest über einen Teilbereich parallel zu einer Langseite des entsprechenden Schaltrings (1), wobei der Anbindungsabschnitt (6) die der Stromschiene (5) parallel verlaufenden Oberfläche umfasst. Die Kontaktfläche zwischen Stromschiene (5) und Schaltring (1) kann weiter vergrößert werden, wenn die Stromschienen (5), wie in 3, zusätzlich mit einer Schmalseite des Schaltrings (1) verbunden sind. Somit ergeben sich zwei oder bei den Schaltring gabelförmig umgreifenden Stromschienen (5) drei Seiten mit Anbindungsabschnitten (6).
Insbesondere um eine Kontaktierung von Schaltringen (1), welche zwischen zwei weiteren Schaltringen (1) angeordnet sind, zu ermöglichen kann zumindest ein Teil der Schaltringe (1) im Bereich der Leistungsanschlüsse (4) beziehungsweise Stromschienen (5) von einer kreisringförmigen Form abweichen, um einen für eine Isolierung ausreichenden Abstand zwischen den Schaltringen (1) zu gewährleisten.
Im Ausführungsbeispiel der 3 sind vier Schaltringe (1) gezeigt, wobei der äußere Schaltring (1) keinen Leistungsanschluss (4) aufweist und in zwei separate Kreisringsegmente geteilt ist, wobei die Leistungsanschlüsse (4) der anderen Schaltringe (1) in einem Bereich zwischen den Kreisringsegmenten angeordnet sind.
Die Leistungsanschlüsse (4) der beiden mittleren Schaltringe (1) sind jeweils über eine axial verlaufende Stromschiene (5) mit seitlich am Leistungsanschluss (4) vorgesehene Anbindungsabschnitt (6) mit dem jeweiligen Schaltring (1) verbunden. Die Anbindungsabschnitte (6) sind hierbei gegenüberliegend vorgesehen, das heißt für dem radial äußeren der mittleren Schaltringe (1) auf der radial äußeren Seite und auf der radial inneren Seite des radial inneren der mittleren Schaltringe (1). Somit können die mittleren Schaltringe (1) kreisringförmig mit einem konstanten Durchmesser ausgebildet werden und gleichzeitig eine ausreichend große Kontaktfläche für die Verbindung mit der Stromschiene (5) der Leistungsanschlüsse (4) bereitgestellt werden.
Der radial innere Schaltring (1) weist in 3 zumindest im Bereich des Leistungsanschlusses (4) des benachbarten Schaltrings (1) eine nach innen abweichende Form auf, um ausreichend Abstand zum Leistungsanschluss (4) beziehungsweise der entsprechenden Stromschiene (5) des benachbarten Schaltrings (1) zu gewährleisten.
Der radial innere Schaltring (1) ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Stromschiene (5) mit dem Leistungsanschluss (4) verbunden. Die Stromschiene (5) stellt hierbei einen selbsttragenden Flachleiter dar, welcher an einem Ende mit dem Schaltring (1) und am anderen Ende mit einem Leistungsanschluss (4) elektrisch leitend verbunden ist. Die Stromschiene (5) ist dabei derart geformt, dass der Leistungsanschluss (4) entsprechend zu den anderen Leistungsanschlüssen (4) positioniert ist. Hierzu weist die Stromschiene (5) in 3 eine abgewinkelte Form auf, welche mit einem Schenkel mit einem an der radial inneren Umfangsfläche des Schaltrings (1) vorgesehenen Anbindungsabschnitt (6) verbunden ist, und der andere Schenkel sich axial beabstandet über die weiteren Schaltringe (1) erstreckt, um die Leistungsanschlüsse (4) in einer Reihe zu positionieren.
Durch die Verwendung von Stromschienen (5) kann die Position der Leistungsanschlüsse (4) beliebig an den vorhandenen Bauraum angepasst werden.
4 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels mit Verbindungsleitern (2) gemäß 1 oder 3 zusammen mit einem entsprechenden Ausschnitt mit Anschlusspins (7) der Hairpin-Wicklung. Wie bei 1 sind die Verbindungsleiter (2) axial nach oben und radial nach außen angeordnet. Die Anschlusspins (7) der Hairpin-Wicklung sind in diesem Beispiel radial außen an den Schaltringen (1) vorbeigeführt. Im dargestellten Beispiel sind jeweils drei benachbarte Anschlusspins (7) einer gleichen Phase zugeordnet.
Die jeweils drei benachbarten Anschlusspins (7) sind mit einem einzigen Verbindungsleiter (2) verbunden, wobei zwischen jeweils zwei der drei Anschlusspins (7) ein Teilbereich (3) angeordnet ist. Durch die Teilbereiche (3) werden die Anschlusspins (7) auf mindestens zwei Seiten des rechteckigen Querschnitts durch den Verbindungsleiter (2) kontaktiert und mit diesem verbunden. Hierdurch wird die Positionierung der Bauteile zueinander vor dem Verbinden, beispielsweise Verschweißen, vereinfacht sowie die Kontaktfläche und somit die übertragbare Leistung vergrößert.
Das in 5 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel von Schaltringen (1) ist analog zu dem in 3 aufgebaut, weshalb auf die obige Beschreibung verwiesen wird.
Im Unterschied zu 3 sind jedoch die Verbindungsleiter (2) anders ausgeführt. Ein Verbindungsleiter (2) ist jeweils mit zwei Anschlusspins (7) verbunden. Hierzu weist der Verbindungsleiter (2) einen vorderen Teilbereich (3) auf, der zwischen zwei Anschlusspins (7) angeordnet wird. Im dargestellten Beispiel behält der Verbindungsleiter (2) im weiteren Verlauf den Querschnitt des Teilbereichs (3) bei. Alternativ kann der Querschnitt des Verbindungsleiters (2), insbesondere in Annäherung an den Schaltring (1), vergrößert sein.
Der Teilbereich (3) ist entgegen 3 in 5 in axialer Richtung angeordnet und verläuft weitestgehend parallel zu den Anschlusspins (7). Durch den parallelen Verlauf kann die Kontaktfläche mit dem Anschlusspin (7) vergrößert werden. Da der Anschlusspin (7) nur auf einer Seite durch den Teilbereich (3) kontaktiert wird, ist die Positionierung etwas erschwert, jedoch kann etwas Bauraum eingespart werden. Bei mehr als zwei benachbarten Anschlusspins (7) mit gleicher Phase, wie beispielsweise drei wie in 5, sind entsprechend zwei Verbindungsleiter (2) vorgesehen, welche zumindest zwischen den Teilbereichen (3) eine lichte Weite aufweisen, die zur Aufnahme eines Anschlusspins (7) geeignet ist.
6 stellt analog zu 4 einen vergrößerten Ausschnitt einer Verschaltung mit einer Hairpin-Wicklung gemäß 5 dar.
Die Teilbereiche (3) sind jeweils zwischen zwei Anschlusspins (7) angeordnet und mit diesen verbunden. Die jeweils drei Anschlusspins (7) einer Phase sind mit zwei Verbindungsleiter (2) mit dem Schaltring (1) verbunden. Somit wird der mittlere Anschlusspin (7) auf zwei Seiten von einem Verbindungsleiter (2) kontaktiert, wobei die beiden äußeren jeweils nur durch einen Verbindungsleiter (2) kontaktiert sind.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungen eingeschränkt. Es können wie oben ausgeführt, auch nur einzelne vorteilhafte Merkmale vorgesehen werden beziehungsweise verschiedene Merkmale unterschiedlicher Beispiele miteinander kombiniert werden. Beispielsweise ist bei allen Ausführungsformen möglich, dass die Schaltringe vor der Aufnahme in den Träger mit einer elektrisch isolierenden Schicht, wie einem Lack, überzogen sind.
Bezugszeichenliste

1: Schaltring
2: Verbindungsleiter
3: Teilbereich (des Verbindungsleiters)
4: Leistungsanschluss
5: Stromschiene
6: Anbindungsabschnitt
7: Anschlusspin
8: Träger
9: Abstufung
10: Rippen
11: Aussparung

Claims

Verschaltung für eine elektrische Maschine, wobei die Verschaltung eine Mehrzahl von Schaltringen (1) umfasst, welche sich jeweils zumindest über einen Teil des Umfangs erstrecken, wobei die Schaltringe (1) in einem gemeinsamen Träger (8) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (8) die Schaltringe (1) nur teilweise umschließt.
Verschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltringe (1) einen rechteckigen Querschnitt mit jeweils zwei Langseiten und zwei Kurzseiten aufweisen, und dass der Träger (8) jeweils eine Kurzseite und die beiden Langseiten teilweise überdeckt.
Verschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (8) zwischen den Schaltringen (1) Abstufungen (9) aufweist.
Verschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (8) Rippen (10) aufweist.
Verschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltringe (1) formschlüssig im Träger (8) befestigt sind.
Verschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltringe (1) Aussparungen (11) aufweisen, in welche Material des Trägers (8) oder am Träger (8) vorgesehene Rastelemente eingreifen.
Verschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schaltringen (1) Vorsprünge vorgesehen sind, welche vom Material des Trägers (8) oder von am Träger (8) vorgesehenen Rastelementen umgriffen sind.
Verschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (8) den Querschnitt der Schaltringe (1) über einen Teil des Umfangs auf allen Seiten zumindest teilweise umschließt.
Verschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schaltringen (1) mehrere Verbindungsleiter (2) vorgesehen sind, und wobei jeder Anschlusspin (7) mit einem Schaltring (1) über einen Verbindungsleiter (2) elektrisch leitend verbindbar ist, und dass ein Verbindungsleiter (2) zumindest mit zwei Anschlusspins (7) verbindbar ist.
Elektrische Maschine mit einer Hairpin-Wicklung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen ist, und dass der Träger (8) zwischen den Schaltringen (1) und der Hairpin-Wicklung angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Verschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassend die Verfahrensschritte - Bereitstellen der Schaltringe (1) mit einer Aussparung (11), - Positionieren der Schaltringe (1) in einer Spritzgussform, wobei die Schaltringe (1) nur teilweise in der Kavität der Spritzgussform positioniert werden und wobei die Aussparungen (11) in der Kavität der Spritzgussform positioniert werden, - Umspritzen der Schaltringe (1) mit isolierendem Material zur Erzeugung des Trägers (8), wobei das Material die Aussparungen (11) der Schaltringe (1) ausfüllt und eine formschlüssige Verbindung erzeugt.
Verfahren zur Herstellung einer Verschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassend die Verfahrensschritte - Bereitstellen der Schaltringe (1) mit einer Aussparung (11), - Bereitstellen eines Trägers (8) aus isolierendem Material, - Einsetzen der Schaltringe (1) in den Träger (8), wobei Rastelemente oder Vorsprünge des Trägers (8) mit den Aussparungen (11) der Schaltringe (1) in Eingriff gebracht werden und eine formschlüssige Verbindung erzeugen.