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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formstabs für eine Formstabwicklung einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem einen Formstab sowie eine elektrische Maschine.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen für Kraftfahrzeuge. Solche Maschinen können beispielsweise als Antriebsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden. Die elektrischen Maschinen weisen einen ortsfest gelagerten Stator mit bestrombaren Statorwicklungen sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor, welcher im Falle einer fremderregten elektrischen Maschine bestrombare Rotorwicklungen aufweist, auf. Dabei ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Statorwicklungen und/oder die Rotorwicklungen als Formstabwicklungen bzw. Hairpin-Wicklungen auszubilden. Die Formstabwicklungen weisen dabei eine Vielzahl von elektrisch miteinander verschalteten Formstäben bzw. Hairpins auf, welche in Nuten des Stators oder des Rotors eingeschoben werden und welche üblicherweise aus einem Vollmaterial, beispielsweise Kupfer, hergestellt sind. Formstabwicklungen weisen den Vorteil auf, dass sie einfach und automatisiert hergestellt werden können. Das Vollmaterial der Formstäbe und die damit verbundenen, vergleichsweise großen Leitungsquerschnitte haben jedoch aufgrund des Stromverdrängungseffekts bzw. Skin-Effekts einen verringerten Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zur Folge.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Formstäbe für Formstabwicklungen elektrischer Maschinen bereitzustellen, durch welche die elektrische Maschine einfach und mit hohem Wirkungsgrad herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Formstabs, einen Formstab sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen eines Formstabs für eine Formstabwicklung einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug. Bei dem Verfahren wird ein rechteckförmiges Blech aus einem elektrisch leitfähigen Material bereitgestellt. Eine Oberfläche des Blechs wird zumindest partiell mit einer Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material beschichtet. Das mit der Isolationsschicht beschichtete Blech wird zu einem zylinderförmigen, einen spiralförmigen Querschnitt aufweisenden Formstab aufgerollt.
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Die Formstabwicklung bzw. Hairpin-Wicklung kann beispielsweise eine Wicklung eines Stators und/oder eines Rotors der elektrischen Maschine sein. Der Formstab bzw. Hairpin für die Formstabwicklung wird jedoch nicht, wie im Stand der Technik, aus einem Vollmaterial ausgebildet, sondern aus einem beschichteten Blech gerollt. Das Blech ist eine dünne Metallplatte bzw. ein dünnes Metallband und weist eine Materialdicke auf, die deutlich geringer als eine Breite und eine Länge des Blechs sind. Das Blech ist also ein Profildraht mit rechteckigem Querschnitt und kann beispielsweise aus Kupfer gebildet sein. Das Blech weist zwei in Längsrichtung orientierte Längsseiten sowie zwei in Querrichtung orientierte Breitseiten auf, welche zwei rechteckförmige, einander gegenüberliegende Oberflächen begrenzen. Eine der Oberflächen wird zumindest teilweise mit der Isolationsschicht beschichtet. Die Isolationsschicht kann eine separate Schicht, beispielsweise eine spannungsfeste Folie, sein, welche auf die Oberfläche des Blechs gelegt wird. Diese separate Schicht kann auf der Oberfläche des Blechs, beispielsweise durch Kleben, befestigt werden. Auch kann vorgesehen sein, dass die Isolationsschicht durch zumindest partielles Oxidieren der Oberfläche des Blechs erzeugt wird und somit als eine Oxidationsschicht ausgebildet wird. Auch kann die Isolationsschicht ein Backlack sein, welcher auf die Oberfläche des Blechs aufgetragen wird.
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Dieser durch das Blech und die Isolationsschicht entstehende Schichtstapel wird nun entlang einer Rollrichtung aufgerollt. Die Rollrichtung kann dabei beispielsweise der Längsrichtung entsprechen. Dazu wird beispielsweise eine der Breitseiten eingeschlagen und in Richtung der anderen Breitseite gerollt. Beim Aufrollen wird insbesondere die Isolationsschicht derart eingerollt, dass eine Außenseite der entstehenden zylinderförmigen Rolle durch die unbeschichtete Oberfläche des Blechs ausgebildet wird.
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Im Querschnitt bzw. im Profilschnitt der Rolle, welcher einen runden Außenumfang aufweist, weist der Schichtstapel dabei einen spiralförmigen bzw. schneckenförmigen Verlauf auf. Durch diesen spiralförmigen Verlauf des Schichtstapels sind in radialer Richtung abwechselnd Abschnitte des Blechs und Abschnitte der Isolationsschicht angeordnet. Hierdurch wird ein durch die Abschnitte des Blechs gebildeter Leitungsquerschnitt des Formstabes verringert und der Stromverdrängungseffekt klein gehalten. Somit können durch einen solchen Formstab in vorteilhafter Weise sowohl eine einfach zu fertigende Formstabwicklung als auch ein hoher Wirkungsgrad für die elektrische Maschine bereitgestellt werden.
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Im Falle, dass die Isolationsschicht als der auf die Oberfläche des Bleches aufgetragene Backlack ausgebildet ist, können die in radialer Richtung benachbarten Bereiche des Bleches, zwischen welchen sich der Backlack befindet, durch Wärmezufuhr über den Backlack miteinander verbunden bzw. verklebt werden. Der Backlack dient somit sowohl zum Isolieren als auch zum Verbinden der Blechbereiche innerhalb der Rolle. So ergibt sich ein besonders stabiler Formstab.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird der zylinderförmige Formstab zu einem quaderförmigen Formstab verpresst. Die Form der Rolle wird also verändert. Formstabwicklungen mit zylinderförmigen Formstäbe weisen aufgrund ihrer runden Querschnitte einen reduzierten Füllfaktor in den Nuten des Stators und/oder des Rotors auf. Um den Füllfaktor zu erhöhen, wird die Form des Formstabs von der zylinderförmigen Rolle in einen quaderförmigen Stab überführt. Dazu wird die Außenseite des zylinderförmigen Formstabs derart verpresst, dass ein rechteckförmiger Außenumfang des Querschnitts entsteht. Eine Dicke bzw. ein Durchmesser der Rolle wird dabei so gewählt, dass Abmessungen des rechteckförmigen Querschnitts nach dem Verpressen der Rolle zu dem Stab eine vorbestimmte Größe aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine Außenseite des Formstabes, welche durch eine der beschichteten Oberfläche gegenüberliegende unbeschichtete Oberfläche des Bleches gebildet wird, mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung umwickelt wird. Insbesondere wird als die Umhüllung eine Kaptonfolie bereitgestellt. Die unbeschichtete Oberfläche des Blechs und damit die Außenseite des Formstabs sind elektrisch leitfähig. Um eine ungewollte elektrische Verbindung von Formstäben innerhalb einer Nut zu verhindern, wird die elektrisch leitfähige Außenseite des Formstabs mit der elektrisch isolierenden Umhüllung umwickelt.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Blech mit einer senkrecht zu einer Rollrichtung orientierten Breite bereitgestellt wird, welche einer vorbestimmten Länge des Formstabes entspricht. Nach dem Aufrollen des Schichtstapels entsteht somit ein Formstab, welcher bereits die vorbestimmte Länge aufweist und beispielsweise nicht mehr gekürzt werden muss. Somit kann in wenigen Verfahrensschritten und mit geringem Materialaufwand der Formstab für die Formstabwicklung hergestellt werden.
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Besonders bevorzugt wird nur ein zwischen Randbereichen des Bleches liegender Innenbereich der Oberfläche des Blechs beschichtet, wobei die unbeschichteten Randbereiche des Blechs einander senkrecht zu einer Rollrichtung gegenüberliegen und im aufgerollten Zustand des Blechs axiale Enden des Formstabs ausbilden. Die Randbereiche liegen sich insbesondere in Querrichtung gegenüber und sind somit angrenzend an die entlang der Rollrichtung orientierten Längsseiten ausgebildet. Die Randbereiche können beispielsweise eine Breite von jeweils 20 mm aufweisen. Nach dem Aufrollen weist der Formstab somit einen ersten Bereich auf, welcher aus dem aufgerollten Schichtstapel gebildet ist, und zwei beidseitig an den ersten Bereich angrenzende zweite Bereiche auf, welche nur aus dem aufgerollten, unbeschichteten Blech gebildet sind. Diese zweiten Bereiche bilden die axialen Enden des Formstabes, welche wiederum Kontaktierungsbereiche zum elektrischen Verbinden zweier Formstäbe ausbilden. Die Kontaktierungsbereiche zweier Formstäbe werden üblicherweise mittels Laserschweißen miteinander verbunden. Dadurch, dass die Enden keine Isolationsschicht aufweisen, können in vorteilhafter Weise Verbrennungsrückstände, welche durch das Verbrennen des Isolationsmaterials mittels des Lasers entstehen würden, verhindert werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung werden axiale Enden des Formstabs gegeneinander verdreht, wodurch der Formstab röbelstabartig ausgebildet wird. Durch die Ausbildung des Formstabs als Röbelstab wird der Stromverdrängungseffekt bzw. Skin-Effekt weiter verringert. Das Verdrillen der Enden kann beispielsweise vor dem Verfahrensschritt des Verpressens durchgeführt werden. Der verdrillte, zylinderförmige Formstab kann dann zu dem quaderförmigen Formstab verpresst werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird beim Aufrollen des Blechs ein sich über eine Länge des Formstabes erstreckender Hohlraum ausgebildet, durch welchen der Formstab als ein Hohlstab ausgebildet wird und welcher zum Kühlen des Formstabs von einem Kühlmittel durchströmbar ist. Beispielsweise kann die Breitseite beim Aufrollen des Bleches derart eingeschlagen werden, dass ein durch die Mitte des Formstabes verlaufendes Loch entsteht. Dieses Loch kann von dem Kühlmittel, beispielsweise einem Kühlfluid, durchströmt werden. Der Hohlstab kann mit einem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine, welcher das Kühlmittel bereitstellt, fluidisch gekoppelt werden. Durch dieses Durchströmen des Hohlraums mittels des Kühlmittels können die Formstäbe gekühlt werden, wodurch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine weiter erhöht werden kann.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Formstab für eine Formstabwicklung einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, welcher mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eine Ausführungsform davon hergestellt ist.
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Eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug weist einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf, wobei der Stator und/oder der Rotor eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Formstäben aufweisen. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine Antriebsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug sein.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Formstab sowie für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1a bis 1e Schritte zur Herstellung eines Formstabs,
- 2 ein Querschnitt durch den Formstab während des Herstellungsschrittes gemäß 1d; und
- 3 ein Querschnitt durch den Formstab während des Herstellungsschrittes gemäß 1e.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1a bis 1e zeigen Schritte zur Herstellung eines Formstabs 1 für eine hier nicht gezeigte Formstabwicklung einer hier nicht gezeigten elektrischen Maschine, welche als eine Traktionsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. In einem ersten Herstellungsschritt, welcher in 1a gezeigt ist, wird ein Blech 2, beispielsweise ein Kupferblech, bereitgestellt, welches eine rechteckige erste Oberfläche 3 und eine rechteckige zweite Oberfläche 4 aufweist. Entlang einer Querrichtung Q erstrecken sich zwei einander gegenüberliegende Breitseiten 5, 6 und entlang einer Längsrichtung L erstrecken sich zwei einander gegenüberliegende Längsseiten 7, 8 des Blechs 2. Eine Materialdicke des Bleches 2 ist dabei deutlich geringer als Abmessungen der Breitseiten 5, 6 und der Längsseiten 7, 8. Eine der Oberflächen 3, 4, beispielsweise die Oberfläche 3, wird in einem zweiten Herstellungsschritt, welcher in 1b gezeigt ist, partiell mit einer Isolationsschicht 9 beschichtet. Die Isolationsschicht 9 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einer Folie, einem Papier oder einem Oxid, gebildet. Eine Länge der Isolationsschicht 9 in Längsrichtung L entspricht dabei einer Länge des Bleches 2 in der Längsrichtung L. Eine Breite der Isolationsschicht 9 in Querrichtung Q ist dabei kleiner als eine Breite des Blechs 2 in Querrichtung Q. Angrenzend an die Längsseiten 7, 8 werden durch diese verringerte Breite der Isolationsschicht 9 Randbereiche 10, 11 des Blechs 2 gebildet, welche unbeschichtet sind bzw. nicht von der Isolationsschicht 9 bedeckt sind.
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In einem dritten Herstellungsschritt, welcher in 1c gezeigt ist, wird das mit der Isolationsschicht 9 beschichtete Blech 2 entlang einer Rollrichtung R aufgerollt. Die Rollrichtung R ist hier parallel zur Längsrichtung L orientiert. Zum Aufrollen des beschichteten Blechs 2 wird hier die Breitseite 5 in Richtung der Oberfläche 3 eingeschlagen und solange aufgerollt, bis ein Formstab 1 in Form von einer zylinderförmigen Rolle 12, wie sie in einem vierten Herstellungsschritt gemäß 1d gezeigt ist, entsteht. Ein Querschnitt 13 der Rolle 12, welcher in 2 gezeigt ist, weist einen runden Außenumfang sowie einen runden Spiralverlauf des Blechs 2 und der Isolationsschicht 9 auf. Um einen Formstab 1 in Form von einem quaderförmigen Stab 14 bereitzustellen, kann die zylinderförmige Rolle 12 in einem fünften Herstellungsschritt, der in 1e gezeigt ist, verpresst werden. Ein Querschnitt 15 des Stabs 14, welcher in 3 gezeigt ist, weist einen rechteckigen Außenumfang sowie einen eckigen Spiralverlauf des Blechs 2 und der Isolationsschicht 9 auf.
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Eine Außenseite 16 des Formstabes 1 wird durch die unbeschichtete Oberfläche 4 des Blechs 2 gebildet. Diese Außenseite 16 kann mittels einer hier nicht gezeigten elektrisch isolierenden Umhüllung, beispielsweise einer Kaptonfolie, umwickelt werden. Axiale Enden 17, 18 des Formstabes 1 sind dabei durch die unbeschichteten, eingerollten Randbereiche 10, 11 des Bleches 2 gebildet und können mittels eines Lasers verschweißt werden, ohne dass Rückstände durch verbranntes Material der Isolationsschicht 9 entstehen. Diese Enden 17, 18 können außerdem zur Ausbildung eines röbelstabartigen Formstabes 1 gegeneinander verdreht bzw. verdrillt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formstab
- 2
- Blech
- 3, 4
- Oberflächen
- 5, 6
- Breitseiten
- 7, 8
- Längsseiten
- 9
- Isolationsschicht
- 10, 11
- Randbereiche
- 12
- Rolle
- 13
- Querschnitt
- 14
- Stab
- 15
- Querschnitt
- 16
- Außenseite
- 17, 18
- Enden
- B
- Querrichtung
- L
- Längsrichtung
- R
- Rollrichtung
