DE102018219706A1

DE102018219706A1 - Stator für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine und Verfahren zum Herstellen eines solchen Stators

Info

Publication number: DE102018219706A1
Application number: DE102018219706.7A
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Ritt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Stator (10) sowie Verfahren zum Herstellen eines Stators (10) für eine elektrische Maschine (12), mit einem Statorgrundkörper (34), der in Radialrichtung (9) nach außen gerichtete Statorzähne (14) zur Aufnahme von Spulen (17) einer elektrischen Wicklung (16) aufweist, und die Spulen (17) mit einem ununterbrochenen Wicklungsdraht (22) durchgewickelt sind, wobei auf mindestens einer Stirnseite (38) des Statorgrundkörpers (34) eine Isolierlamelle (40) für den Wicklungsdraht (22) angeordnet ist, wobei die Isolierlamelle (40) in ihrer radialen Innenseite (44) einen axialen zylindrischen Fortsatz (42) aufweist, und axial oberhalb der Spulen (17) ein Verschaltering (50) zur Verschaltung der einzelnen Spulen (17) angeordnet ist, und Verbindungsdrähte (23) zwischen jeweils zwei benachbarten Spulen (17) zwischen dem axialen zylindrischen Fortsatz (42) und einem Innenumfang (52) des Verschalterings (50) eingeklemmt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator für eine elektrische Maschine, sowie auf eine elektrische Maschine und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Stators nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Mit der DE 10 2012 224 153 A1 ist ein Stator einer elektrischen Maschine bekannt geworden, bei dem axial auf ein Lamellenpaket eine Isolierlamelle und eine Verschaltungsplatte angeordnet sind. Der Stator ist beispielsweise mittels Nadelwickeln bewickelt, wobei die einzelnen Teilspulen mittels Verbindungsdrähten in Führungsnuten am äußeren Umfang der Verschaltungsplatte miteinander verbunden sind. Dabei wird die gesamte Wicklung in einem Stück mittels eines einzigen Wicklungsdrahtes durchgewickelt. Da die Verbindungsdrähte zwischen den einzelnen Spulen axial übereinander angeordnet sind, ist die axiale Bauhöhe des Stators relativ groß. Außerdem ist der Aufwand für das Verschweißen der Verschaltungsplatte mit den Verbindungsdrähten in den Führungsnuten sehr aufwändig. Außerdem ist die Fertigungszeit beim Nadelwickeln relativ groß, was die Produktion recht teuer macht. Diese Nachteile sollen durch die erfindungsgemäße Lösung behoben werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass durch das Einklemmen der schlaufenförmigen Verbindungsdrähte zwischen zweier benachbarter Statorzähne die Verbindungsdrähte während des Montageverfahrens zuverlässig fixiert sind, ohne dass hierfür an der Isolierlamelle besonders ausgebildete Befestigungselemente notwendig wären. Das Festklemmen der Verbindungsdrähte kann hierbei realisiert werden, indem die Verbindungsschleifen auf einem Wickel-Hilfswerkzeug gehalten werden, bis der Verschaltering axial montiert wird, und dadurch die Verbindungsdrähte gegenüber einem ringförmigen axialen Fortsatz der Isolierlamelle verklemmt werden. Der Verschaltering wird dabei bevorzugt kraft- oder formschlüssig an der Isolierlamelle befestigt, so dass die Verbindungsdrähte zuverlässig eingeklemmt bleiben. Dabei stehen die Verbindungs-Schleifen vorteilhaft radial in den Innenraum des Statorgrundkörpers hinein, so dass die nächsten Spulen ungehindert auf die nächsten Statorzähne gewickelt werden können. Der Klemmbereich der Verbindungsdrähte kann dabei bezüglich der Radialrichtung zwischen dem Innenumfang des Verschalterings und dem Außenumfang des axialen Fortsatzes der Isolierlamelle angeordnet sein. In einer alternativen Ausführung kann die Klemmstelle der Verbindungsdrähte bezüglich der Axialrichtung zwischen dem axialen Fortsatz der Isolierlamelle und dem Verschaltering angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft ist der Statorgrundkörper aus einzelnen Blechlamellen aufgebaut, die axial übereinander gestapelt angeordnet sind. Dabei sind die einzelnen radial nach außen gerichteten Statorzähne durch einen inneren Ring des Statorgrundkörpers miteinander verbunden. Um den magnetischen Streufluss zwischen zwei Statorzähnen zu reduzieren, sind in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Statorzähnen mehrere Freisparungen im inneren Ring ausgebildet, so dass das Volumen des magnetisch leitenden Materials zwischen den Statorzähnen reduziert wird. Besonders einfach kann dies dadurch realisiert werden, dass in einzelnen Blechlagen separate Bleche für die einzelnen Statorzähne gestapelt werden, die keine Verbindung zu dem inneren Ring haben.
Am radial äußeren Bereich sind an den Statorzähnen Zahnköpfe ausgeformt, die bezüglich der Umfangsrichtung breiter ausgebildet sind, als die Zahnhälse zwischen den Zahnköpfen und dem inneren Ring. Der Stator ist bevorzugt als Stern-Rückfluss ausgebildet, wobei der Statorgrundkörper in ein Rückschlussring eingefügt wird, so dass die Statorzähne radial an der Innenseite des Rückschlussrings anliegen. Für den magnetischen Fluss von den Zahnhälsen in den Rückschlussring liegen besonders günstig die Zahnköpfe flächig radial an der Innenseite des Rückschlussrings an.
Zur elektrischen Verschaltung der Einzelzahnspulen wird eine Verschalteplatte axial über den Spulen angeordnet, die die einzelnen Spulen elektrisch kontaktiert. Dazu sind in einem ringförmigen Kunststoffkörper elektrische Leiterelemente angeordnet, die sich ebenfalls ringförmig über den Spulen erstrecken. Die Leiterelemente weise Verbindungselemente auf, die aus dem Kunststoffkörper herausragen und mit dem Wickeldraht der Spule verbunden werden können.
Durch das Ausbilden der einzelnen Verbindungsschleifen zwischen den benachbarten Spulen kann der Wickelungsdraht ununterbrochen durchgewickelt werden, was die Wickelzeit und insbesondere die Kontaktierungsstellen zum Verschaltering deutlich reduziert. So können die radial nach innen gebogenen Schleifen nach oben gebogen werden, so dass diese in Axialrichtung am Innenumfang des Verschaltungsrings verlaufen. Durch die Verklemmung der Verbindungsdrähte zwischen dem Verschaltungsring und dem zylindrischen Fortsatz der Isolierlamelle bleiben die Einzelzahnspulen während der Kontaktierung der Verbindungsdrähte zuverlässig positioniert. Gemäß einer Variante können die Verbindungselemente des Verschaltungsrings als Schweißlaschen ausgebildet sein, die sich an der Innnenseite des Verschalterings in Axialrichtung erstrecken. Bei dieser Ausführung können die Verbindungsdrähte in Axialrichtung an die Schweißlaschen angelegt und mit diesen verschweißt werden.
In einer alternativen Ausführung weist der Verschaltering als Verbindungselemente Klemmgabeln auf, die an der Oberseite des Kunststoffkörpers im radial mittleren Bereich aus diesem herausragen. Bei dieser Ausführung werden die Verbindungsdrähte nicht nur axial nach oben umgebogen, sondern radial nach außen über den Kunststoffkörper hinweg, bis sie in einer radialen Ebene quer zur Statorachse angeordnet sind. Dabei können die Verbindungsdrähte direkt in die Klemmgabeln der Leiterelemente eingelegt werden, um später beispielsweise mittels Warmverprägen elektrisch mit diesen kontaktiert zu werden. Dies Ausführung weist vorteilhaft ein besonders geringer axialer Bauraum auf, da die Verbindungsdrähte in Radialrichtung entlang der Verschalteplatte geführt werden können.
Der ringförmige Kunststoffkörper ist radial im Bereich zwischen dem zylindrischen Fortsatz der Isolierlamelle und dem Außendurchmesser des Rückschlussrings angeordnet und überdeckt damit die Einzelzahnspulen quer zur Axialrichtung vollständig. Der Innenumfang des Kunststoffkörpers wird dabei axial über den axialen zylindrischen Fortsatz gefügt, so dass die Verbindungsdrähte zwischen dem Kunststoffkörper und dem zylindrischen Fortsatz eingeklemmt werden. Zur besseren Montage des bewickelten Stators in einem Statorgehäuse weist der Verschaltering einen geringeren Außendurchmesser auf, als der Rückschlussring.
In einer bevorzugten Ausführung weist der Statorgrundkörper genau neun Statorzähne auf. Die darauf gewickelten neun Einzelzahnspulen sind in drei Phasen unterteilt, wobei jeweils drei Einzelzahnspulen einer einzigen Phase parallel zueinander geschaltet sind. Für ein gleichmäßiges Drehmoment ist dabei besonders günstig in Umfangsrichtung jede dritte Spule zu einer Phase miteinander verschaltet. In einer alternativen Ausführung weist der Stator nur sechs Statorzähne auf, wobei jeweils zwei Einzelzahnspulen zu einer Phase elektrisch parallel verschaltet sind. Bei diesen Ausführungen mit drei Phasen sind in dem Verschaltering immer nur drei Leiterelemente ausgebildet, die jeweils einen Anschlusspin für die Phasenansteuerung einer Elektronikeinheit aufweisen.
Für die Ausbildung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird in den Stator ein Rotor eingesetzt, der über Lagerschilde drehbar gelagert ist. Eine solche elektrische Maschine weist auch eine Elektronikeinheit auf, die axial oberhalb der Verschalteplatte angeordnet ist, so dass die Anschlusspins der Verschalteplatte auf kurzem Wege mit der Elektronikeinheit verbunden werden können.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren eines Stators kann durch die Verwendung des Wickel-Hilfswerkzeugs ein besonders flach bauender Stator hergestellt werden. Dabei kann besonders einfach ein ununterbrochener Wickeldraht verwendet werden, bei dem alle Einzelzahnspulen über schleifenförmige Verbindungsdrähte miteinander verbunden sind. Da diese Verbindungsdrähte während dem Wickelprozess radial nach innen in den Innenraum des Rotors gebogen werden, können die weiteren Spulen ungehindert auf die Isolierlamelle aufgewickelt werden. Nach dem fertigen Bewickeln kann das Hilfswerkzeug problemlos aus den Schleifen herausgezogen werden und die Verbindungsschleifen können zum aufgesetzten Verschaltering hin umgebogen werden. Durch das Festklemmen der Verbindungsdrähte zwischen der Isolierlamelle und dem Verschaltering können die Verbindungsschlaufen ungehindert umgebogen werden, ohne die gewickelten Einzelzahnspulen zu beeinträchtigen. Dadurch können die Verbindungsdrähte direkt in Verbindungselemente der Verschalteplatte ein- oder angelegt werden, und mit diesen elektrisch kontaktiert werden.
Bei einem solchen Herstellungsverfahren kann auf die Verwendung von Nadelwickel-Maschinen verzichtet werden, wodurch die Wickelzeit deutlich reduziert werden kann. Der Stator-Stern kann mit einer sogenannten Spulen-Technik gewickelt werden, bei der der Statorgrundkörper um eine radiale Achse gedreht wird, um einen einzelnen Statorzahn mit einer Einzelzahnspule zu bewickeln. Für die Ausbildung einer kompakten Einzelzahnspule sind sowohl am zu bewickelnden Zahn eine Leithülse, als auch an den benachbarten Statorzähnen Leitbacken angeordnet, die den Wickeldraht bei einer Rotation um die Radialachse führen.
Durch die Verwendung des Hilfswerkzeugs mit den daran angeformten axialen Pfosten, kann der Verbindungsdraht auf sehr einfache Weise während dem Wickeln in den radialen Innenraum des Stators gelegt werden, so dass axial über den Statorzähnen genügend Freiraum für den Wickelprozess verbleibt. Das Wickelverfahren eignet sich sowohl für die Befestigung der Verbindungsdrähte mittels Schweißen oder mittels Warmverprägen mit entsprechenden Verbindungselementen des Verschalterings. Dabei können die Verbindungsdrähte und der Wickeldrahtanfang und das Wickeldrahtende beispielsweise auch ungestört mittels eines Laserstrahls abisoliert werden.
Besonders vorteilhaft können die Verbindungsdrähte nach dem Bewickeln radial nach außen umgebogen werden, so dass sie im radialen Bereich zwischen dem Innen- und Außenumfang des Verschalterings mit Verbindungselementen kontaktiert werden, die axial aus dem Kunststoffring heraustreten.
Aufgrund der Ausbildung der Verbindungsdrahtschleifen ist pro Einzelzahnspule nur eine Kontaktierung mit der als Verschaltering ausgebildeten Verschalteplatte notwendig, was den Fertigungsaufwand erheblich reduziert. Auch der Drahtanfang und das Drahtende liegen vorteilhaft nahe beieinander, so dass diese fertigungstechnisch entsprechend einer Verbindungsdrahtschleife mit der Verschalteplatte kontaktiert werden können. Dadurch kann auch die Form der Leiterelemente innerhalb des Kunststoffkörpers sehr einfach gestaltet werden, wobei die Anordnung der Anschlusspins für die die drei Phase sehr leicht entsprechend der Kundenanforderungen auf dem ringförmigen Kunststoffkörper angeordnet werden können. Besonders geeignet ist ein solches Herstellungsverfahren besonders für EC-Motoren mit neun Statorspulen und einen Innenläufer mit sechs Magnetpolen oder für eine Motor-Topologie mit sechs Statorspulen und einem Innenläufer mit vier Magnetpolen. Das Wickelverfahren mittels Spulen-Technik eignet sich besonders für einen Stern-Rückschluss-Stator, bei dem der Rückschlussring erst nach dem Bewickeln der Statorzähne axial aufgeschoben wird.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 schematisch einen Fertigungsprozess eines erfindungsgemäßen Stators,
2 eine Detailansicht der Leiterelemente eines erfindungsgemäßen Verschalterings, und
3 ein Wickelverfahren eines erfindungsgemäßen Stators.

In 1 sind die einzelnen Fertigungsschritte für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines Stators 10 dargestellt. Dabei wird zuerst ein Statorgrundkörper 34 des Stators 10 aus einzelnen Blechlamellen 33 zusammengesetzt. Der Statorgrundkörper 34 weist dabei einen inneren Ring 36 auf, der einzelne Statorzähne 14 miteinander verbindet. Die Statorzähne 14 erstrecken sich in Radialrichtung 9 nach außen, und weisen an ihren radial äußeren Enden Zahnköpfe 15 auf. Die Zahnköpfe 15 sind in Umfangsrichtung 8 breiter ausgebildet, als Zahnhälse 13 der Statorzähne 14, die radial zwischen dem inneren Ring 36 und den Zahnköpfen 15 angeordnet sind. Der Stator 10 ist als Stern-Rückschlussring ausgebildet, wobei der Statorgrundkörper 34 den „Stern“ bildet, der in einem späteren Prozessschritt in einen äußeren Rückschlussring 30 eingesetzt wird. Im inneren Ring 36 sind bezüglich der Umfangsrichtung 8 zwischen den Statorzähnen 14 radiale Durchbrüche 37 ausgebildet. Diese werden dadurch hergestellt, dass nicht alle Blechlamellen 33 über den gesamten Umfang geschlossen ausgebildet sind, sondern in einigen Lagen der Blechschnitt separate Statorzähne 14 aufweist, die nicht mit dem inneren Ring 36 verbunden sind. Dadurch kann der magnetische Streufluss an der radialen Innenseite der Statorzähne 14 deutlich reduziert werden.
In einem nächsten Schritt wird auf den Statorgrundkörper in Axialrichtung 7 mindestens eine Isolierlamelle 40 aufgesetzt, die den Statorgrundkörper 34 gegenüber einer elektrischen Wicklung 16 elektrisch isoliert. Im Ausführungsbeispiel sind an beiden axialen Stirnseiten 38 des Statorgrundkörpers 34 jeweils eine Isolierlamelle 40 aufgesetzt, die die Zahnhälse 13 weitgehend umschließen. Die Isolierlamellen 40 weisen eine Rillenstruktur 41 auf, in die ein entsprechender Wicklungsdraht 22 der elektrischen Wicklung 16 in Umfangsrichtung 8 und in Axialrichtung 7 eingelegt wird. Die beiden Isolierlamellen 40 sind jeweils einstückig ausgebildet, so dass ein axialer zylindrischer Fortsatz 42 einen geschlossenen Ring bildet, an dem standförmig die einzelnen Zahnabdeckungen 43 mit der Rillenstruktur 41 angeformt sind. Der axiale zylindrische Fortsatz 42, der an der radialen Innenseite 44 der Isolierlamelle 40 angeordnet ist, bildet eine innere radiale Begrenzung für die einzelnen Spulen 17, die auf die jeweiligen Statorzähne 14 bewickelt werden. Entsprechend sind an den Zahnabdeckungen 43 im radial äußeren Bereich Begrenzungsflächen 46 angeformt, an denen die Spulen 17 radial anliegen.
Zum Bewickeln der Statorzähne 14 wird in einen Innenraum 68, in dem später ein Rotor angeordnet ist, ein Wickel-Hilfswerkzeug 70 axial eingefügt. Am Wickel-Hilfswerkzeug 70 ist für mindestens jeden Statorzahn 14 ein Wickeldrahthaken 72 ausgebildet, um den ein Verbindungsdraht 23 zwischen zwei einzelnen Spulen 17 geführt wird. Im Ausführungsbeispiel fließt das Wickel-Hilfswerkzeug 70 den axialen zylindrischen Fortsatz 42 der Isolierlamelle 40 etwa bündig ab.
In einem weiteren Prozessschritt ist die elektrische Wicklung 16 vollständig ausgeführt, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Statorzähnen 14 der Wicklungsdraht 22 als Verbindungsdraht 23 um die Wickeldrahthaken 72 herumgelegt ist. Im Ausführungsbeispiel ist jede Spule 17 der elektrischen Wicklung 16 als Einzelzahn-Spule 19 ausgebildet, wobei der Wicklungsdraht 22 ununterbrochen durchgewickelt ist. Beim Wickelprozess wird ein Drahtanfang 20 ebenfalls am Wickel-Hilfswerkzeug 70 befestigt. Ebenso nach dem vollständigen Bewickeln aller Statorzähne 14 auch das Drahtende 21. Schematisch ist hier der Drahtanfang 20 und das Drahtende 21 ebenfalls an einem einzigen Wickeldrahthaken 72 angelegt. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführung können diese jedoch auch an getrennten Befestigungselementen des Wickel-Hilfswerkzeugs 70 befestigt werden. Im Ausführungsbeispiel weist der Statorgrundkörper 34 genau neun Statorzähne 14 auf, auf denen genau neun Einzelzahn-Spulen 19 angeordnet sind, die mit einem ununterbrochenen Wickeldraht 22 gewickelt sind. Die Wickeldrahthaken 72 sind im Ausführungsbeispiel als axiale Überstände 74 ausgebildet, die an einer näherungsweise ebenen kreisförmigen Scheibe 73 des Wickel-Hilfswerkzeugs 70 angeformt sind.
Dadurch kann nach dem Beenden des Wickelprozesses das Wickel-Hilfswerkzeug 70 bequem in Axialrichtung 7 aus dem Innenraum 68 herausgezogen werden, so dass die Verbindungsdrähte 23 als freie Schleifen 24 radial über den zylindrischen Fortsatz 42 in den Innenraum 68 hineinragen. Ebenso ragen der Drahtanfang 20 und das Drahtende 21 radial nach innen über den zylindrischen Fortsatz 42 hinaus. Die Einzelzahn-Spulen 19 liegen radial innen am zylindrischen Fortsatz 42 und radial außen an der Begrenzungsfläche 46 der Isolierlamelle 40 an.
Nach dem Bewickeln der Statorzähne 14 wird in einem nächsten Prozessschritt der Statorgrundkörper 34 in Axialrichtung 7 in den Rückschlussring 30 eingesetzt. Dabei liegen die Statorköpfe 15 radial an der inneren Umfangfläche des Rückschlussrings 30 an, wodurch der Rückschlussring 30 die einzelnen Statorzähne 14 magnetisch miteinander koppelt. Beispielsweise wird der Statorgrundkörper 34 in den Rückschlussring 30 eingepresst. Im Ausführungsbeispiel ist an den Zahnköpfen 15 eine axiale Nut 28 ausgebildet, in die eine korrespondierende Wulst 29 des Ringschlussrings 30 in Radialrichtung 9 eingreift.
In einem nächsten Schritt wird ein Verschaltering 50 axial auf die elektrische Wicklung 16 aufgesetzt. Der Verschaltering 50 weist einen Kunststoffkörper 54 auf, in dem ringförmige Leiterelemente 56 eingefügt sind. Dabei können die Leiterelemente 56 mittels dem Kunststoffkörper 54 umspritzt sein, oder in entsprechende ringförmige Nuten eingelegt sein. Der Kunststoffkörper 54 erstreckt sich radial von dem zylindrischen Fortsatz 42 der Isolierlamelle 40 in Radialrichtung 9 bis zum Rückschlussjoch 30, so dass dieses radial mit dem Kunststoffkörper 54 überlappt. Somit ist der Außendurchmesser des Kunststoffkörpers 54 geringfügig kleiner ausgebildet, als der Außendurchmesser des Rückschlussjochs 30. Der Kunststoffkörper 54 weist einen radial inneren Innenumfang 52 auf, der axial über den axialen zylindrischen Fortsatz 42 gefügt wird. Dabei werden die Schleifen 24 der Verbindungsdrähte 23 zwischen dem axialen Fortsatz 42 und dem Innenumfang 52 fixierend eingeklemmt. Die Leiterelemente 56 weisen Verbindungselemente 57 auf, die aus dem Kunststoffkörper 54 herausragen. Im Ausführungsbeispiel sind die Verbindungselemente 57 als Klemmgabeln 58 ausgebildet, die sich vom Kunststoffkörper 54 in Axialrichtung 7 erstrecken. Dabei sind die Klemmgabeln 58 bevorzugt in einem radial mittleren Bereich des Kunststoffkörpers 54 angeordnet. Des Weiteren sind an den Leiterelementen 56 Anschlusspins 60 ausgebildet, die direkt die Phasenanschlüsse U, V, W bilden. Die Anschlusspins 60 erstrecken sich hier ebenfalls in Axialrichtung 7 und sind beispielsweise in einer geraden Linie in Tangentialrichtung zum Verschaltering 50 angeordnet. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführung können die Anschlusspins 60 jedoch auch beispielsweise gleichmäßig über den Umfang des Verschalterings 50 angeordnet werden.
In einem nächsten Schritt werden die Verbindungsdrähte 23 in Radialrichtung 9 nach außen über den Kunststoffkörper 54 umgebogen. Dabei werden die Verbindungsdrähte 23 in die Klemmgabeln 58 der Leiterelemente 56 eingelegt. Ebenso wird der Drahtanfang 20 und das Drahtende 21 radial nach außen umgebogen und in entsprechende Klemmgabeln 58 eingelegt. Nach dem Einlegen der Verbindungsdrähte 23 in die Klemmgabeln 58 kann die elektrische Kontaktierung beispielsweise durch Warmverprägen ausgebildet werden, wobei die Isolationsschicht der Verbindungsdrähte 23 so weit aufgeschmolzen wird, dass ein direkter elektrischer Kontakt zu den Klemmgabeln 58 hergestellt wird. Durch das Umbiegen der Verbindungsdrähte 23 erstrecken sich diese in einer radialen Ebene, die sich quer zur Statorachse 11 erstreckt. Da die Klemmgabeln 58 in Axialrichtung 7 relativ kurz ausgebildet sind, ist der gesamte Stator 10 dadurch bezüglich der Axialrichtung 7 sehr flach bauend. In den fertig bewickelten Stator 10 wird anschließend ein nicht dargestellter Rotor axial in den Innenraum 68 eingefügt und axial oberhalb des Verschaltungsrings 50 eine Elektronikeinheit angeordnet. Dabei können die Anschlusspins 60 auf kurzem Wege direkt mit einer axial darüber liegenden Elektronikeinheit verbunden werden, die die Phasen U, V, W ansteuert. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführung sind die Verbindungselemente 57 der Leiterelemente 56 als Schweißlaschen ausgebildet, die bevorzugt am Innenumfang 52 des Verschalterings 50 angeordnet sind, und sich in Axialrichtung 7 erstrecken. Bei dieser Ausführung werden die Verbindungsdrähte 23 aus dem Innenraum 68 nach dem Entfernen des Wickel-Hilfswerkzeugs 70 lediglich nach oben umgebogen, so dass sich diese in Axialrichtung 7 parallel zu den Schweißlaschen erstrecken. Dadurch können die Verbindungdrähte 23, sowie der Drahtanfang 20 und das Drahtende 21 radial an die Schweißlaschen angelegt und mit diesen verschweißt werden. Auch bei dieser Ausführung sind die Verbindungsdrähte 23 bezüglich der Radialrichtung 9 zwischen dem Innenumfang 52 des Verschalterings 50 und dem äußeren Umfang des zylindrischen axialen Fortsatzes 42 fest fixiert.
2 zeigt die Leiterelemente 56 eines Verschalterings 50, wie er beispielweise in 1 verwendet wird. Dabei sind genau drei Leiterelemente 56 angeordnet, die nach dem Verbinden mit den jeweiligen Einzelzahn-Spulen 19 die drei Phasen U, V, W aufweisen. Daher ist an jedem Leiterelement 56 ein Anschlusspin 60 angeformt, der sich hier in Axialrichtung 7 erstreckt. Die Leiterelemente 56 sind bevorzugt als Biegestanzteile ausgebildet, wobei die Verbindungselemente 57 für die Verbindungsdrähte 23 hier als Klemmgabeln 58 ausgestanzt sind, die sich ebenfalls in Axialrichtung 7 erstrecken. Die Leiterelemente 56 weichen von einer exakten Ringform ab, damit die Verbindungselemente 57 zum größten Teil alle auf einem gleichen Radius des Verschalterings 50 angeordnet sind. Der Verschaltering 50 bildet dabei mit den Einzelzahn-Spulen 19 eine Dreiecksschaltung, wobei hier jeweils drei Spulen 17 einer Phase parallel zueinander geschaltet sind. D. h., dass über den Anschlusspin 60 an allen Verbindungselementen 57 eines Leiterelements 56 zeitgleich die gleiche Spannung anliegt. Beim Beispiel von neun Statorzähnen 14 sind entsprechend acht Verbindungsdrähte 23 ausgebildet, wobei die neunte Verbindung über den Wickeldrahtanfang 20 und das Drahtende 21 gebildet werden. Dazu sind an einem Leiterelement 56 anstelle eines einzigen Verbindungselement 57 zwei unmittelbar benachbarte Befestigungselemente 59 für den Drahtanfang und dem Drahtende 21 ausgebildet. Beim Ausführungsbeispiel der 2 sind die einzelnen Leiterelemente 56 in radialen Ebene quer zur Statorachse 11 nebeneinanderliegend angeordnet, so dass sie zumindest teilweise konzentrisch zueinander angeordnet sind. Der Leiterquerschnitt ist bei bevorzugt rechteckförmig ausgebildet. Die Leiterelemente 56 können mit dem Kunststoffkörper 54 zu einem Verschaltering 50 umspritzt werden, oder alternativ in entsprechende ringförmigen Nuten im Kunststoffkörper 54 eingepresst werden.
In 3 ist ein Wickelverfahren für ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators 10 dargestellt. In den Statorgrundkörper 34 ist das Wickel-Hilfswerkzeug 70 mit unterschiedlichen Wickeldrahthaken 72 eingefügt. Der Statorgrundkörper 34 ist mit seinem Zahnköpfen 15 in einer Rotationsaufnahme 82 einer Wickelvorrichtung 100 aufgenommen. Die Rotationsaufnahme 82 ist dabei um eine Radialachse 89 des Stators 10 drehbar gelagert und wird beispielweise von einem Antriebsmotor 90 in Rotation versetzt. Über den zu bewickelten Statorzahn 14 wird gegenüberliegend zur Rotationsaufnahme 82 eine Leithülse 84 in Radialrichtung 9 über den Statorzahn 14 gestülpt. Über die beiden unmittelbar benachbarten Statorzähne 14 werden Leitbacken 86 gestülpt, so dass bezüglich der Umfangsrichtung 8 des Stators 10 ein Spalt 88 entsteht, durch den der Wickelungsdraht 22 um den zu bewickelten Statorzahn 14 gewickelt werden kann. Zum Wickeln wird zuerst der Drahtanfang 20 am Wickel-Hilfswerkzeug 70 befestigt. Danach wird der gesamte Stator 10 durch den Antriebsmotor 90 in Drehung um die Radialachse 89 versetzt. Dabei wird der Wickeldraht 22 in den Spalt 88 hineingezogen und um den Statorzahn 14 herumgewickelt. Zur exakten Anordnung des Wickeldrahts 22 auf dem Statorzahn 14 kann sowohl die Leithülse 84 als auch die Leitbacken 86, die sich mit den Statorzähnen 14 um die Radialachse 89 mitdrehen, verstellt werden. Insbesondere kann die Leithülse 84 radial nach außen geschoben werden, so dass die Spule 17 vom zylindrischen Fortsatz 42 der Isolierlamelle 40 radial nach außen bis zur Begrenzungsfläche 46 hin bewickelt werden kann. Nach dem fertigen Bewickeln eines Statorzahns 14 mit einer Einzelzahn-Spule 19 wird der Wickelungsdraht 22 um einen Wickeldrahthaken 72 des Wickel-Hilfswerkzeug gelegt. Danach wird der Stator 10 in der Rotationsaufnahme 82 weitergedreht, so dass die Leithülse 84 auf den nächsten benachbarten Statorzahn 14 aufgeschoben werden kann. Entsprechend werden wieder die Leitbacken 86 auf die jeweils direkt benachbarten Statorzähne 14 gefügt. Somit kann ein Statorzahn 14 nach dem andern mit einem ununterbrochenen Wickelungsdraht 22 bewickelt werden, wobei jeweils der Verbindungsdraht 23 zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 14 als Schleife 24 radial nach innen um einen entsprechenden Wickeldrahthaken 72 gelegt wird. Nach dem fertigen Bewickeln aller Statorzähne 14 wird auch das Wickeldrahtende 21 über den zylindrischen Fortsatz 42 radial nach innen in den Innenraum 68 gelegt. Nach Beendigung des Wickelverfahrens kann - wie zu 1 beschrieben - das Wickel-Hilfswerkzeug 70 axial aus dem Innenraum 68 gezogen werden und der Stator 10 entsprechend den Prozessschritten in 1 weitergefertigt werden.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung, die Anordnung und Anzahl der Spulen 17, sowie die Ausbildung der Kontaktierung der Verbindungsdrähte 23 mit dem Verschaltering 50 entsprechend variiert werden. Ebenso kann die Lage und Ausbildung der Anschlusspins 60 und die Schnittstelle zur Elektronikeinheit den Anforderungen der elektrischen Maschine 12 und den Fertigungsmöglichkeiten angepasst werden. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für den Drehantrieb von Komponenten oder die Verstellung von Teilen im Kraftfahrzeug, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012224153 A1 [0002]

Claims

Stator (10) für eine elektrische Maschine (12), mit einem Statorgrundkörper (34), der in Radialrichtung (9) nach außen gerichtete Statorzähne (14) zur Aufnahme von Spulen (17) einer elektrischen Wicklung (16) aufweist, und die Spulen (17) mit einem ununterbrochenen Wicklungsdraht (22) durchgewickelt sind, wobei auf mindestens einer Stirnseite (38) des Statorgrundkörpers (34) eine Isolierlamelle (40) für den Wicklungsdraht (22) angeordnet ist, wobei die Isolierlamelle (40) in ihrer radialen Innenseite (44) einen axialen zylindrischen Fortsatz (42) aufweist, und axial oberhalb der Spulen (17) ein Verschaltering (50) zur Verschaltung der einzelnen Spulen (17) angeordnet ist, und Verbindungsdrähte (23) zwischen jeweils zwei benachbarten Spulen (17) zwischen dem axialen zylindrischen Fortsatz (42) und einem Innenumfang (52) des Verschalterings (50) eingeklemmt sind.
Stator (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorgrundkörper (34) einen radial inneren Ring (36) aufweist, der alle Statorzähne (14) fest miteinander verbindet, wobei der Statorgrundkörper (34) aus einzelnen axial geschichteten Blechlamellen (33) zusammengesetzt ist - wobei insbesondere nur ein Teil der Blechlamellen (33) jeweils zwei benachbarte Statorzähne (14) mittels dem inneren Ring (36) miteinander verbindet, so dass am inneren Ring (36) zwischen zwei benachbarten Statorzähnen (14) Durchbrüche (37) ausgebildet sind, um den magnetischen Fluss zu reduzieren.
Stator (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (14) radial außen Zahnköpfe (15) aufweisen, die in Umfangsrichtung (8) eine größere Erstreckung (25) aufweisen als Zahnhälse (13) der Statorzähne (14) im radial mittleren Bereich, und die Zahnköpfe (15) radial an einem äußeren Rückschlussjoch (30) anliegen.
Stator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschaltering (50) einen Kunststoffkörper (54) aufweist, in dem mehrere Leiterelemente (56) angeordnet sind, die jeweils mehrere Verbindungsdrähte (23) zweier benachbarter Spulen (17) elektrisch kontaktieren - und insbesondere genau ein Leiterelement (56) einen Drahtanfang (20) und ein dazu benachbartes Drahtende (21) der Wicklung (16) elektrisch kontaktiert.
Stator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsdrähte (23) als Schleifen (24) am Innenumfang (52) des Verschalterings (50) in Axialrichtung (7) entlanggeführt sind - und insbesondere an Schweißlaschen der Leiterelemente (56) angeschweißt sind.
Stator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsdrähte (23) oberhalb des Kunststoffkörpers (54) radial nach außen geführt sind - um insbesondere in axial aus dem Kunststoffkörper (54) ragenden Klemmgabeln (58) eingelegt - und vorzugsweise warmverprägt sind.
Stator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper (54) die Spulen (17) radial vollständig überdeckt und radial mit dem Rückschlussjoch (30) überlappt, und der Außendurchmesser des Kunststoffkörpers (54) kleiner ist als der Außendurchmesser des Rückschlussjochs (30).
Stator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorgrundkörper (34) genau sechs oder neun Statorzähne (14) aufweist und im Verschaltering (50) genau drei Leiterelemente (56) angeordnet sind, die jeweils genau zwei oder drei Spulen (17) zu einer Phase (U, V, W) verbinden.
Elektrische Maschine (12) mit einem Stator (10) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor über Lagerschilde innerhalb des Stators (10) gelagert ist, und insbesondere eine Elektronikeinheit zur Ansteuerung der Phasen (U, V, W) axial oberhalb des Verschalterings (50) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Stators (10) insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüchen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - mindestens eine Isolierlamelle (40) wird axial auf einen Statorzähne (14) aufweisenden Statorgrundkörper (34) gefügt - ein Wickel-Hilfswerkzeug (70) mit angeformten Wickeldrahthaken (72) wird innerhalb eines zylindrischen Fortsatzes (42) der Isolierlamelle (40) angeordnet - danach werden auf die Statorzähne (14) mittels eines durchgehenden Wicklungsdrahtes (22) als Einzelzahn-Spulen (19) ausgebildete Spulen (17) gewickelt, wobei Verbindungsdrähte (23) zwischen zwei benachbarten Spulen (17) an den Wickeldrahthaken (72) geführt werden - nach dem fertigen Wickeln der Spulen (17) wird das Wickel-Hilfswerkzeug (70) aus dem Statorgrundkörper (34) entfernt und ein Verschaltering (50) axial auf die bewickelte Isolierlamelle (40) gefügt - die Verbindungsdrähte (23) werden mit Kontaktelementen (58) der Verschalteplatte (50) elektrisch kontaktiert - insbesondere angeschweißt oder warmverprägt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzahn-Spulen (17) mittels einer Spulen-Technik mit Leitbacken (86) gewickelt werden, wobei der Statorgrundkörper (34) zum Wickeln um eine Radialachse (89) gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung (8) die unmittelbar aufeinanderfolgende Statorzähne (14) nacheinander bewickelt werden und nach jedem Beenden einer Einzelzahn-Spule (19) der ununterbrochene Wickeldraht (22) zur Ausbildung einer VerbindungsdrahtSchleife (24) um einen Wickeldrahthaken (72) gelegt wird, bevor die nächste Einzelzahn-Spule (19) gewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsdraht-Schleifen (24) radial innerhalb des zylindrischen Fortsatzes (42) der Isolierlamelle (40) um die Wickeldrahthaken (72) geführt werden, und nach dem Fügen des Verschalterings (50) die Verbindungsdraht-Schleifen (24) radial nach außen über den Verschaltering (50) gebogen werden, um mit diesem elektrisch kontaktiert zu werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verschaltering (50) Leiterelemente (56) eingefügt - insbesondere eingesteckt oder eingespritzt - sind, die die Einzelzahn-Spulen (19) zu einer Dreieckschaltung mit drei Phasen (U, V, W) verschalten, wobei vorzugsweise in jeder Phase (U, V, W) jeweils zwei oder drei Einzelzahn-Spulen (19) parallel zueinander geschaltet sind.