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Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrische Baueinheit mit einer Wicklung, insbesondere Maschinenbaueinheit, wie Stator, mit in einen Aufnahmekörper eingebrachten Leiterabschnitten und an deren Endabschnitten zum Vervollständigen der Wicklung beiderseits über eine Verbindungsstruktur elektrisch kontaktiert angeschlossenen Wickelkopfeinheiten, von denen zumindest eine als mit der Verbindungsstruktur versehene Trägerplatteneinheit ausgebildet ist, welche mehrere gleich ausgebildete umlaufend mit Durchführöffnungen versehene, elektrisch isolierende Trägerplatten umfasst, die in Normalenrichtung zur Plattenebene geschichtet und mit ihren Durchführöffnungen zueinander fluchtend paketiert sind und jeweils an die Durchführöffnung angrenzend mit fest auf ihrer Oberfläche integrierten, gegeneinander elektrisch isolierten elektrischen Leitschichtelementen versehen sind, an denen zugeordnete Endabschnitte der Leiterabschnitte unmittelbar stoffschlüssig elektrisch leitend angeschlossen sind, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Baueinheit und ihre Anwendung.
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Eine elektrische Baueinheit dieser Art ist in der
US 6 538 356 B1 angegeben. Bei dieser bekannten, als Statoreinheit ausgebildeten elektrischen Baueinheit für einen elektrischen Motor sind Leiterabschnitte in Nuten eines Aufnahmekörpers eingelegt und werden an ihren beiderseitigen freien Endabschnitten zum Bilden von Wickelköpfen mittels auf Trägerplatten aufgebrachten elektrischen Verbindungselementen entsprechend einer herzustellenden Wicklungsstruktur miteinander verbunden. Die Trägerplatten sind als ringförmige Scheiben aus isolierendem Material ausgebildet, beispielsweise aus einer Keramik mit einem Gehalt von 96% Aluminium, wobei zu einzelnen Eigenschafen des Keramikmaterials keine näheren Ausführungen gemacht sind. Auf den Trägerplatten sind elektrisch leitende metallische Verbindungen in speziellen Mustern aufgebracht, um die Leiterabschnitte in erforderlicher Weise miteinander zu verbinden. Eine derartige Abstimmung von Trägerplatten mit darauf fest vorgegebenen Verbindungsstrukturen entsprechend herzustellender Wicklungsstrukturen erfordert relativ hohen Aufwand.
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Eine weitere elektrische Baueinheit, ausgebildet als Stator einer elektrischen Maschine, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der
US 2014/0 319 960 A1 dargestellt. Auch bei dieser elektrischen Baueinheit sind stirnseitig einer Statoreinheit, in die stabförmige Leiterabschnitte eingelegt sind, Basisplatteneinheiten aufgesetzt, die die Leiterabschnitte des Stators in vorgewählter Weise verbinden. Die rechte und die linke Basisplatteneinheit sind ihrerseits aus zwei gegeneinander und gegenüber dem Statorkörper mit ringförmigen Isolierelementen isolierten Basisplatten aufgebaut. Die Basisplatten bestehen aus einem isolierenden Trägerkörper mit darin in Nuten eingelegten metallischen Verbindungsbahnen, die zum Verbinden der Leiterabschnitte zu einer Spule über Verbindungsstifte miteinander verbunden sind. Die anschlussseiteigen Enden der Leiterabschnitte des Stators sind in den Basisplatten durch zugeordnete Durchgangslöcher geführt. Bei diesem Aufbau ergeben sich relativ komplexe Verbindungsstrukturen auf den beiden Basisplatten mit den zwischengefügten ringförmigen Isolierelementen.
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In der
US 2014/0 014 390 A1 ist eine Baueinheit mit einem Stator für eine mehrphasige elektrische Maschine gezeigt, die mehrere in axialer Richtung aufeinander gestapelte ringförmige Busstränge aufweist. Zur Positionierung der Busstränge sind in einem gehäuseartigen Trägerkörper domartige Montagezapfen mit schulterförmigen Abstufungen vorgesehen. Die Kontaktierung an den ringförmigen Bussträngen erfolgt seitlich, wobei es um die Verbindung der verschiedenen Phasen geht.
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Die
WO 2015/092 192 A2 zeigt ebenfalls eine Statorbaueinheit, bei der die Wickelköpfe mit Ringleitern ausgestattet sind. Dabei sind Anschlüsse radial außen an den Ringleitern für Phasenanschlüsse positioniert.
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Die
WO 2014/129 288 A1 hat einen radial geschichteten Ringleiter in einem isolierenden Träger zum Inhalt. Eine weitere elektrische Baueinheit mit einer Wicklung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, und zwar in Form eines Stators einer elektrischen Maschine, ist in der
WO 2015/158508 A1 angegeben. Bei dieser elektrischen Baueinheit ist, wie bei derartigen Statoren üblich, eine Wicklung mit mehreren Spulen und Windungen in Nuten eines Stator-Blechpakets elektrisch isoliert eingelegt. Die in den Nuten eines sie tragenden Aufnahmekörpers eingelegten Leiterabschnitte sind an ihren stirnseitigen Enden durch jeweils einen Wickelkopf zu den Spulen der Wicklung elektrisch verbunden. Zur Herstellung des Wickelkopfs sind verschiedene Vorgehensweisen angegeben, wobei jeweils zwei Leiterenden miteinander elektrisch verbunden werden, beispielsweise indem die Leiterenden miteinander direkt verdrillt, direkt verlötet oder mit einem Verbindungsleiter verlötet werden. Die Wicklung wird im Bereich des Wickelkopfes mit einem Isolationsmaterial vergossen. Derartige Wickelköpfe besitzen in der Regel eine relativ große Ausdehnung und beanspruchen einen relativ hohen Anteil des Bauraums der Baueinheit. Auch wird beim Betrieb relativ viel Leistung durch eine starke Erwärmung in diesem Bereich verbraucht.
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Auf solche Nachteile ist auch in der
DE 10 2012 206 442 A1 und der
DE 10 2015 218 929 A1 hingewiesen, worin besondere Maßnahmen zur Wärmeabfuhr durch einbetten der Wickelköpfe vorgeschlagen sind. Beispielswiese ist in der
DE 10 2012 206 442 A1 zur Auskleidung mit isolierendem Auskleidungsmaterial ein Keramikmatrixmaterial vorgeschlagen, in welches z. B. Silber- oder Kupferpartikel eingelagert sind. In der
DE 10 2015 218 929 A1 sind mehrere die Wickelköpfe einbettende ringförmige Elemente sowie eine Flüssigkeitskühlung in einer Tragestruktur des Statorgehäuses gezeigt. Die Wärmeleiteinrichtung ist beispielsweise mit einer Keramik aus Aluminiumnitrid ausgestaltet.
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In einem Artikel von Brunner D G at al.: Foliengießen, Sintern und Anwendungen von Aluminiumnitrid", Sprechsaal, Bd. 121, Nr. 3, 1. März 1988 (1988-03-01), Seiten 181-186, XP001263640 ist im Zusammenhang mit anderen elektrischen Bauelementen bzw. Anwendungen auf die Verwendung von Keramikmaterial, insbesondere Aluminiumnitrid, hingewiesen. Hierbei ist die hohe Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmeausdehnung des Aluminiumnitrid-Materials z. B. im Vergleich mit Oxidkeramiken wie Al2 O3 angesprochen und als Anwendungsbeispiel sind bedruckte Karten mit Leiterbahnmustern in unterschiedlicher Strukturierung sowie Hochstrom- und Leistungsanwendungen und mehrlagige Monolithe mit innenliegenden Leiterbahnen, Kühlkörper, Träger für Heizelemente und Isolierscheiben für Transistoren genannt. Eine Anwendung bei elektrischen Maschinen ist nicht erwähnt.
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Bei elektrischen Maschinen ist die Effizienz und Leistungsdichte wesentlich durch die thermische Belastungsgrenze des Wicklungssystems begrenzt, wobei zu beachten ist, dass die Einsatz- und Verarbeitungstemperatur in Folge der Verwendung von Isolationslack an den Kupferleitern in der Regel auf unter 200 °C begrenzt ist. Insbesondere können sich im Bereich des Wickelkopfes hohe Temperaturen ergeben. Ein für einen kompakten Aufbau mit effizienter Betriebsweise geeigneter Aufbau ist in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung PCT/EP2018/079461 der Anmelderin gezeigt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Baueinheit mit einer Wicklung, insbesondere Maschinenbaueinheit, wie Stator, der eingangs genannten Art bereitzustellen, die bei kompaktem Aufbau einen effizienten Betrieb ergibt, sowie ein Verfahren zur rationellen Fertigung der Baueinheit anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Baueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Bei der elektrischen Baueinheit ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass zum Vervollständigen der Wicklung entsprechend den einzelnen Windungen die an den zugehörigen Endabschnitten der Leiterabschnitte kontaktierten Leitschichtelemente mittels überbrückender Leiterbahnstücke miteinander elektrisch leitend verbunden sind und dass die Trägerplatteneinheit als Kühlsystem ausgestaltet ist, bei dem die Trägerplatten zumindest überwiegend, zu mehr als 50 Vol-%, aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 50 bis 500 W/(m*k) hergestellt sind.
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Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass
- - in längs verlaufende Nuten eines Aufnahmekörpers Leiterabschnitte einer auszubildenden Wicklung mit zumindest auf einer Seite vorstehenden freien Endabschnitten eingebracht werden,
- - mehrere gleich ausgebildete Trägerplatten bereit gestellt werden, die mit umlaufend angeordneten, voneinander beabstandeten Durchführöffnungen und jeweils angrenzend an diese mit auf einer ihrer flachen Außenseiten integrierten, voneinander elektrisch isolierten, elektrisch leitenden Leitschichtelementen versehen sind und die zum Bilden eines Kühlsystems gut wärmeleitend ausgestaltet sind,
- - zusammengehörige Leiterabschnitte zum Bilden einer jeweiligen Windung der Wicklung mit ihren freien Endabschnitten in zugeordnete Durchführöffnungen einer ersten Trägerplatte eingeführt und mit einem ihnen jeweils benachbarten Leiterbahnstück stoffschlüssig elektrisch leitend verbunden werden, das seinerseits zuvor mit mindestens zwei zugeordneten Leitschichtelementen elektrisch leitend stoffschlüssig verbunden wurde,
- - nach Herstellen der elektrischen Verbindung betreffender Windungen entsprechend einer aufzubauenden Wicklungsstruktur zum Herstellen weiterer Windungen der Wicklung eine weitere Trägerplatte auf die vorhergehend elektrisch mit Leiterabschnitten verbundene erste Trägerplatte so aufgesetzt wird, dass ihre Durchführöffnungen mit denjenigen der vorangehenden Trägerplatte fluchten und weitere zugeordnete Endabschnitte in ihre Durchführöffnungen geführt und mit zugeordneten Leiterbahnstücken sowie Leitschichtelementen stoffschlüssig elektrisch leitend kontaktiert werden,
- - zu weiteren Windungen zu verbindende Endabschnitte elektrisch leitend mit einem jeweils benachbarten Leitschichtelement und über ein Leiterbahnstück miteinander elektrisch leitend stoffschlüssig verbunden werden, um die Wicklung entsprechend der Wicklungsstruktur zu ergänzen, und
- - gegebenenfalls Aufschichten weiterer Trägerplatten und elektrisches Verbinden weiterer Endabschnitte einander zuzuordnender Leiterabschnitte bis zur Vervollständigung der Wicklung.
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Mit den in gleicher Weise ausgebildeten, insbesondere z. B. radialsymmetrischen, Trägerplatten lässt sich die Wickelkopfeinheit mit der paketierten Trägerplatteneinheit rationell aufbauen und modular entsprechend unterschiedlicher Wicklungsarten bzw. Wicklungsstrukturen mit angepassten elektrischen Verbindungen einfach herstellen, da lediglich verbindende Leitungsstücke entsprechend der Wicklungsstruktur einzusetzen sind, wodurch sich eine einfache, rationelle Fertigung ergibt. Mehr als zwei Leitschichtelemente können mittels eines elektrischen Leiterbahnstücks z. B. bei Sternpunktverschaltung miteinander verbunden werden. Die aus dem keramischen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellten Trägerplatten ergeben in Folge der innigen Verbindung mit den Leitschichtelementen eine direkte, großflächige Wärmeableitung und tragen wesentlich zur effizienten Betriebsweise bei.
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Vorteilhaft ist dabei vorgesehen, dass das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit der Trägerplatten Keramikmaterial, insbesondere Aluminiumnitrid-Material, ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit z. B. im Bereich zwischen 180 W/(m*K) und 300 W/(m*K) liegt.
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Eine für den Aufbau und die Funktion vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Durchführöffnungen in einem äußeren umlaufenden Abschnitt der Trägerplatten angeordnet sind und dass ein innerer umlaufender Abschnitt der Trägerplatten mit Kühlkanälen und/oder Kühlkammern für Kühlmittel, insbesondre Kühlflüssigkeit, durchzogen und/oder - zumindest bei einem Teil der Trägerplatten - außenseitig versehen ist.
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Der Aufbau und die Funktion werden ferner dadurch begünstigt, dass die außenseitig auf den Trägerplatten ausgebildeten Kühlkanäle und/oder Kühlkammern seitlich von Dichtmitteln umgrenzt und deckseitig von der zugekehrten Seite einer aufgeschichtet in dichter Auflage auf den Dichtmitteln folgenden Trägerplatte abgedeckt sind.
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Vorteilhaft für den Aufbau und die Funktion ist ferner, dass die Trägerplatten in axialer Draufsicht kreisscheibenförmig ausgebildet und im Zentrum mit einer zentralen Öffnung versehen sind.
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Weiterhin tragen zu einer rationellen Fertigung und vorteilhaften Funktion die Merkmale bei, dass der innere und der äußere umlaufende Abschnitt konzentrisch auf der Trägerplatte angeordnet sind.
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Eine für den Aufbau und den effizienten Betrieb vorteilhafte weitere Ausgestaltung besteht darin, dass die Kühlkanäle und/oder die Kühlkammern über achsparallel in den Trägerplatten eingebrachten Durchströmöffnungen miteinander in das Kühlmittel, insbesondere die Kühlflüssigkeit, leitende Verbindung gebracht sind, wobei die Durchströmöffnungen innerhalb der von den Dichtmitteln umgrenzten Bereiche liegen.
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Zu einem vorteilhaften Aufbau und Betrieb tragen auch die Maßnahmen bei, dass mehrere Kühlkammern in oder auf dem inneren umlaufenden Abschnitt angeordnet sind, die in Umlaufrichtung nebeneinander liegen und durch Stegabschnitte voneinander getrennt sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich dadurch, dass die zwischen zwei Trägerplatten angeordneten Dichtmittel jeweils durch einstückig zusammenhängende Abschnitte eines Dichtungselements gebildet sind, die einen vollständig oder teilweise umlaufenden inneren Ringteil und einen davon radial beabstandeten, vollständig oder teilweise umlaufenden äußeren Ringteil umfassen und - bei Ausführung nach Anspruch 8 - die Stegabschnitte umfassen, die sich radial zwischen dem inneren Ringteil erstrecken und an diesen einstückig angebunden sind.
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Der Aufbau und die Verwendung, insbesondere auch im Zusammenhang mit einer elektrischen Maschine, werden ferner dadurch begünstigt, dass die paketierten Trägerplatten einer Trägerplatteneinheit mittels einer Spanneinheit zusammengehalten sind, die auf die flachen Außenseiten der Trägerplatteneinheit aufgelegte Halteplatten und in Normalenrichtung zur flachen Außenseite durch die Halteplatten und die Trägerplatten geführte Spannschrauben aufweist.
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Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen für eine effiziente Kühlung bestehen darin, dass die Kühlkanäle und/oder die Kühlkammern zur Beaufschlagung mit Kühlmittel an eine Kühlmittelzuführvorrichtung, insbesondere an eine Gehäusekühleinrichtung der Baueinheit, angeschlossen oder anschließbar sind.
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Bei dem Verfahren können die zuvor entsprechend der jeweils herzustellenden Windung angepassten, z. B. aus Kupfer bestehenden Leiterbahnstücke bereits vor oder nach dem Aufsetzen der betreffenden Kontaktierplatte auf die Endabschnitte der Leiterabschnitte stoffschlüssig, vorzugsweise durch Löten, mit den zugeordneten Leitschichtelementen verbunden werden.
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Vorteilhafte Maßnahmen des Verfahrens bestehen darin, dass zwischen jeweils zwei benachbarten Trägerplatten mindestens eine Kühlkammer zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit gebildet wird, die mittels eines zwischen den beiden Trägerplatten eingesetzten Dichtungselements flüssigkeitsdicht abgedichtet wird, wobei das Dichtungselement auf die zuerst aufgesetzte Trägerplatte der beiden benachbarten Trägerplatten aufgelegt und anschließend mittels der danach aufgesetzten Trägerplatte abgedeckt wird.
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Mit den genannten Komponenten, die mit den elektrischen Leiterschichtelementen versehene Trägerplatten (Kontaktierplatten), Dichtelemente und elektrische Leiterbahnstücke umfassen, kann vorteilhaft ein Bausatz zum rationellen Aufbau von Wickelkopfeinheiten für unterschiedliche Wicklungsstrukturen bzw. Wicklungsarten bereitgestellt werden.
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Die elektrische Baueinheit findet vorteilhaft Verwendung in einem elektrischen Motor oder einem elektrischen Generator.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine elektrische Baueinheit in Form eines Stators einer elektrischen Maschine mit beidseitigen Wickelkopfeinheiten in perspektivischer Ansicht,
- 2A eine mit Leitschichtelementen versehene Trägerplatte (Kontaktierplatte) in axialer Draufsicht,
- 2B einen Ausschnitt der Kontaktierplatte nach 2A in deren Außenbereich,
- 3 eine mit elektrischen Leiterbahnstücken und Elementen einer Kühlvorrichtung versehene Trägerplatte in perspektivischer Ansicht von schräg oben und
- 4 eine Trägerplatteneinheit mit mehreren paketierten Trägerplatten in teilweise geschnittener, perspektivischer Ansicht von schräg oben.
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1 zeigt, wie auch in der nicht vorveröffentlichten internationalen Patentanmeldung PCT/EP2018/079461 der Anmelderin dargestellt, eine elektrische Baueinheit 1 mit (nicht ersichtlicher) Wicklung in Form einer Maschinenbaueinheit, und zwar eines Stators, in perspektivischer Ansicht. Die elektrische Baueinheit 1 weist einen Aufnahmekörper 2 mit einem sich in Richtung einer Längsachse erstreckenden Mittelteil 20 auf, auf dessen beiden Stirnseiten jeweils eine Wickelkopfeinheit 8 angeordnet ist. Um die Wicklung elektrisch mit betreffenden Stromkreisen zu verbinden, sind hier beispielhaft auf der Innenseite der kreisringförmigen Wickelkopfeinheiten 8 vorstehend Anschlussmittel 9 vorhanden. Die Wickelkopfeinheiten 8 sind hierbei mit Trägerplatteneinheiten 3 und einem Kühlsystem 6 mit Kühlleitungsanschlüssen 62 ausgestaltet, wie nachfolgend anhand der 2A, 2B, 3 und 4 näher ausgeführt.
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2A zeigt in axialer Draufsicht eine Trägerplatte 300, die relativ dünn (z. B. im Bereich zwischen 1mm und 4mm) und aus elektrisch isolierendem, gut wärmeleitendem Material hergestellt ist und vorzugsweise (aber nicht notwendigerweise) in Draufsicht kreisringförmig als flache Scheibe gestaltet ist. Die Trägerplatte 300 ist vorzugsweise, wie gezeigt, radialsymmetrisch gestaltet und das Material besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit im Bereich zwischen z. B. 50 und 500 W/(m*K), insbesondere zwischen 150 und 300 W/(m*K), vorzugsweise zwischen 180 und 220 W(m*K), und besteht vorzugsweise aus Keramikmaterial, insbesondere Aluminiumnitrid-Material.
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Im Zentrum der Trägerplatte 300 ist eine konzentrische zentrale Öffnung 305 für eine Achse bzw. Welle der elektrischen Maschine vorhanden und der um die zentrale Öffnung 305 verlaufende Kreisring gliedert sich im Wesentlichen in einen radial inneren umlaufenden Abschnitt und einen diesen umgebenden, radial äußeren umlaufenden Abschnitt, wie aus 2A ersichtlich. In dem äußeren umlaufenden Abschnitt sind umlaufend vorzugsweise äquidistant voneinander beabstandet Durchführöffnungen 302 angeordnet, in die in dem Aufnahmekörper 2 eingebrachte, insbesondere in Nuten eingelegte, Leiterabschnitte einer Statorwicklung mit ihren freien Endabschnitten eingeführt werden. Vorliegend sind die Durchführöffnungen 302 in radialer Richtung länglich, insbesondere rechteckförmig, geformt, um entsprechend angepasste Endabschnitte der Leiterabschnitte aufzunehmen. Wie auch der in 2B dargestellte vergrößerte Ausschnitt des äußeren Abschnitts zeigt, sind neben den Durchführöffnungen 302 auf der Trägerplatte 300, vorzugsweise auf nur einer Seite (Oberseite), elektrische Leitschichtelemente 301 fest aufgebracht bzw. integriert, die jeweils voneinander getrennt und damit elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind. Die Leitschichtelemente 301 sind vorteilhaft mit einem Flussmittel für eine gute Lötverbindung versehen. Mit den elektrischen Leitschichtelementen 301, insbesondere darauf stoffschlüssig elektrisch aufgebrachten (in 3 gezeigten) Leiterbahnstücken 40, vorzugsweise aus Kupfer, können betreffende, zu kontaktierende Endabschnitte der Leiterabschnitte elektrisch stoffschlüssig, insbesondere durch Löten und/oder Schweißen, verbunden werden, wobei, je nach Wicklungsstruktur bzw. Wicklungsart die einzelnen Windungen der Wicklung in erforderlicher Weise elektrisch leitend mittels der elektrischen Leiterbahnstücke 40 (in 3 gezeigt) vervollständigt werden. Die mit den elektrischen Leitschichtelementen 301 versehene Trägerplatte 300 bildet eine Kontaktierplatte 30.
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Der relativ großflächige innere umlaufende Abschnitt ist mit Durchströmöffnungen 303, 303' versehen, die zur Kühlung der Trägerplatte 300 bzw. Kontaktierplatte 30 mittels des Kühlsystems 6 dienen. Vorliegend ist der innere umlaufende Abschnitt in radialer Richtung breiter ausgedehnt als der äußere Abschnitt, so dass sich eine große Kühlfläche ergibt, die somit auch großflächig und in innigem wärmeleitenden Kontakt zu dem äußeren Abschnitt und über die elektrischen Leitschichtelemente 301 auch zu den Leiterabschnitten steht.
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In der Trägerplatte 300 sind des weiteren umlaufend Löcher 304 angeordnet, die vorliegend in einem inneren und einem äußeren Bereich des inneren Abschnitts rundum verlaufend angeordnet sind, und z. B. zum Durchführen von Spannschrauben dienen können, um mehrere aufeinander geschichtete Trägerplatten zu der Trägerplatteneinheit 3 zu paketieren, wobei mehrere gleich ausgebildete Trägerplatten 300 bzw. Kontaktierplatten 30 mit ihren zentralen Öffnungen 305 und Durchführöffnungen 302 und vorzugsweise auch mit ihren Durchströmöffnungen 303, 303' fluchtend in axialer Richtung aufeinander geschichtet sind (vgl. 4).
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Wie aus 3 ersichtlich, werden zur Vervollständigung der einzelnen Windungen der Wicklung auf den jeweiligen Kontaktierplatten 30 elektrische Leiterbahnstücke 40 an den Leitschichtelementen stoffschlüssig kontaktiert und mit den miteinander zu verbindenden Endabschnitten der einander zugeordneten Leiterabschnitte stoffschlüssig, insbesondere durch Löten und/oder Schweißen, kontaktiert. Vorteilhaft werden dazu zunächst angepasste Leiterbahnstücke 40 mit zugeordneten Leitschichtelementen 301 stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet, und dann werden die Endabschnitte der zugeordneten Leiterabschnitte mit den Leiterbahnstücken 40 elektrisch leitend stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt, z. B. mittels Laserschweißens.
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Ferner werden für den Aufbau des Kühlsystems 6 Kühlkammern 61 zwischen aufeinanderfolgenden Trägerplatten 300 bzw. Kontaktierplatten 30 gebildet, die zwischen einander zugekehrten Seiten benachbarter Trägerplatten 300 bzw. Kontaktierplatten 30 im Bereich deren umlaufenden inneren Abschnitte gebildet werden, um großflächig über die Durchströmöffnungen 303, 303' zirkulierendes Kühlmittel, insbesondere Kühlflüssigkeit 60, mit den Trägerplatten 300 zur effektiven Wärmeabfuhr in Kontakt zu bringen. Hierzu werden äußere Trägerplatten 300 der Trägerplatteneinheit 3 kühlmittelleitend an Kühlleitungsanschlüsse 62 z. B. einer Gehäusekühleinrichtung der Maschinenbaueinheit oder einer anderen vorgesehenen Kühlvorrichtung mit betreffendem Kühlmittelreservoir angeschlossen. Zum Bilden der Kühlkammern 61 werden auf der Oberseite einer Trägerplatte 300 bzw. Kontaktierplatte 30 Dichtmittel aufgelegt, um die elektrischen Verbindungen insbesondere in dem umlaufenden Abschnitt gegenüber der Kühlflüssigkeit 60 vor Feuchte zu schützen und auch um einen Kühlmittelverlust zu vermeiden. Die Dichtmittel sind beispielsweise, wie aus 3 ersichtlich, mittels eines jeweiligen Dichtungselements 50 gebildet, welches mit einem inneren kreisringförmigen Ringteil 501' und einem äußeren kreisringförmigen Ringteil 501 die Kühlkammern 61 umgibt und mit Stegabschnitten 502 versehen ist, die sich zwischen dem inneren und dem äußeren Ringteil 501', 501 erstrecken und an diese einstückig angeschlossen sind. Somit werden vorliegend beispielhaft vier Kühlkammern 61 in Form von Kreisringsektoren gebildet. Die Dicke des Dichtungselements 50 in axialer Richtung ist größer als die Dicke der elektrischen Leiterbahnstücke 40, so dass zwischen den benachbarten Trägerplatten 300 bzw. Kontaktierplatten 30 die erforderliche Dichtigkeit gewährleistet ist. Die Höhe der Kühlkammern 61 kann durch die Dicke der jeweiligen Dichtungselemente 50 und gegebenenfalls zusätzlich durch angepasste Abstandselemente vorgegeben werden, um ein angemessenes Kühlvolumen zwischen jeweils benachbarten Trägerplatten 300 bzw. Kontaktierplatten 30 bereitzustellen. Ein einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Trägerplatten 300 beidseitig flach bzw. eben sind, jedoch können z. B. zum Ausbilden der Kühlkammern 61 auch z. B. napfartige Strukturen eingeformt sein.
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Wie 4 zeigt, kann eine paketierte Trägerplatteneinheit 3 aus einer Anzahl von Kontaktierplatten 30 mit in vorangehend beschriebener Weise ausgebildeten Kühlkammern 61 z. B. an eine Gehäusekühleinrichtung über entsprechende Leitungssysteme angeschlossen werden. Die mit aufeinandergeschichteten Trägerplatten 300 bzw. Kontaktierplatten 30 gebildete Trägerplatteneinheit 3 ist auf ihren beiden Außenseiten mittels Halteplatten 70 und durch diese in axialer Richtung geführte Spannschrauben 71 zusammengehalten, wobei eine der Halteplatten 70 z. B. durch einen stirnseitigen Plattenabschnitt des Gehäuses der elektrischen Baueinheit 1 gebildet sein kann. Mittels der Halteplatten 70 und der Spannschrauben 71 kann die montierte Trägerplatteneinheit 3 mit den darin enthaltenen Komponenten des Kühlsystems 6 einfach aufgebaut und zuverlässig abgedichtet werden.
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Die gleich ausgebildeten Trägerplatten 300 bzw. Kontaktierplatten 30 ermöglichen eine vorteilhafte Herstellung und einen einfach konstruierten und durchzuführenden Aufbau der Wickelkopfeinheiten 8. Zum Aufbau werden mehrere mit elektrischen Leitschichtelementen 301 versehene Trägerplatten 300 als Kontaktierplatten 30 nacheinander mit den Endabschnitten der betreffenden Leiterabschnitte verbunden und zum Herstellen der einzelnen Windungen mit elektrischen Leiterbahnstücken 40 elektrisch leitend stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet, wobei zwischen die einzelnen Trägerplatten 300 zum Bilden der Kühlkammern 61 Dichtungselemente 50 eingesetzt werden.
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Im Einzelnen wird dabei zum Herstellen der Wickelköpfe 8, in einer bevorzugten Vorgehensweise eine erste Kontaktierplatte 30 mit an herzustellende Wicklungen angepassten Leiterbahnstücken 40 versehen, die mit betreffenden Leitschichtelementen 301 stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verlötet werden. Die so vorbereitete Kontaktierplatte 30 wird auf die betreffende Seite der Leiterabschnitte so aufgesetzt, dass die dortigen Endabschnitte durch die betreffenden Durchführöffnungen 302 geführt werden. Um die jeweiligen Windungen fertig zu stellen werden die Endabschnitte mit den zugeordneten Leiterbahnstücken 40 stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt, wie z. B. durch Laserschweißen. In alternativer Vorgehensweise werden die Endabschnitte der beiden zur Windung gehörenden Leiterabschnitte zunächst mit den ihnen benachbarten elektrischen Leitschichtelemente 301 stoffschlüssig elektrisch leitend verbunden (insbesondere verlötet) und anschließend entweder unmittelbar nach Herstellen der elektrischen Verbindung an den jeweiligen Leitschichtelementen 301 oder nach Herstellen aller betreffenden Verbindungen an den Leitschichtelementen 301 der Kontaktierplatte 30 mit elektrischen Leiterbahnstücken 40 zum Ergänzen der jeweiligen Windung elektrisch leitend stoffschlüssig verbunden.
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Nach Fertigstellung der elektrisch leitenden Verbindungen auf einer Kontaktierplatte 30 wird zunächst ein Dichtungselement 50 zum Bilden der Kühlkammern 61 auf die Kontaktierplatte 30 aufgelegt und anschließend wird auf das Dichtungselement 50 eine weitere Kontaktierplatte 30 aufgesetzt und in entsprechender Weise wie die vorhergehende elektrisch kontaktiert. Bevorzugt wird dazu wiederum die Kontaktierplatte 30 vor ihrem Aufsetzen mit an die herzustellenden Windungen der Wicklung angepassten Leiterbahnstücken 40 versehen, die elektrisch leitend stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verlötet, werden. Nach dem Aufsetzen erfolgt dann die elektrische Verbindung der zugeordneten Endabschnitte der Leiterabschnitte mit den betreffenden Leiterbahnstücken 40 vorzugsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen. Durchführöffnungen 302 der weiteren Kontaktierplatte 30 fluchten dabei mit den Durchführöffnungen 302 der vorhergehenden Kontaktierplatte 30 und betreffende Endabschnitte der Leiterabschnitte werden durch Durchführöffnungen 302 der weiteren Kontaktierplatte 30 geführt. Alternativ werden weitere Windungen der Wicklung entsprechend der alternativen Vorgehensweise bei der Herstellung der Verbindungen an der vorangehenden Kontaktierplatte 30 unter stoffschlüssiger Verbindung der betreffenden Endabschnitte mit den zugehörigen Leitschichtelementen 301 (insbesondere durch Löten) und Vervollständigen der elektrischen Verbindung zu einer Windung mit entsprechenden elektrischen Leiterbahnstücken 40 (wobei deren stoffschlüssige Verbindung wiederum insbesondere durch Schweißen, z. B. Laserschweißen erfolgt). In entsprechender Weise werden dann erforderlichenfalls weitere Kontaktierplatten 30 nach vorherigem Aufsetzen eines jeweiligen Dichtungselements 50 aufgeschichtet und kontaktiert, bis die der aufzubauenden Wicklung erforderliche Anzahl von Windungen hergestellt ist.
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Entsprechend wird die Wickelkopfeinheit 8 auf der anderen Seite der Leiterabschnitte hergestellt, soweit dort keine andere Ausbildung der Wickelkopfeinheit 8 vorgesehen werden soll.
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An äußere Stromkreise anzuschließende Enden der Wicklung werden mit zugeordneten Anschlussmitteln 9 bzw. Anschlusselementen 90 verbunden, die an geeigneter Stelle der Wickelkopfeinheiten 8 angeordnet sind.
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Zum Zuführen und Abführen der Kühlflüssigkeit 60 werden die Kühlkammern 61 über die ihnen zugeordneten Durchströmöffnungen 303, 303' mit daran flüssigkeitsdicht angeschlossenen Kühlleitungsanschlüssen 62 an ein Kühlflüssigkeitsreservoir einer Kühlmittelzuführvorrichtung angeschlossen, die z. B. separat ausgebildet oder Teil einer Gehäusekühleinrichtung der Baueinheit sein kann.
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Mittels der in genannter Weise ausgebildeten Komponenten umfassend mehrere gleich ausgebildete Kontaktierplatten 30 aus Trägerplatten 300, die mit isoliert voneinander aufgebrachten Leitschichtelementen 301 sowie Kühlbereichen für Kühlkammern 61 versehen sind, und mit Dichtungselementen 60 sowie elektrischen Leiterbahnstücken 40 lassen sich Wickelkopfeinheiten 8 modular aufbauen, wobei die genannten Komponenten als Wickelkopfbausatz zusammengestellt sein können, um unterschiedliche Wicklungsstrukturen bzw. Wicklungsarten zu verwirklichen. Die einzelnen Komponenten können mit geringem Aufwand hergestellt werden. Es wird ein kompakter Aufbau mit effizienter Betriebsweise erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6538356 B1 [0002]
- US 2014/0319960 A1 [0003]
- US 2014/0014390 A1 [0004]
- WO 2015/092192 A2 [0005]
- WO 2014/129288 A1 [0006]
- WO 2015/158508 A1 [0006]
- DE 102012206442 A1 [0007]
- DE 102015218929 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Brunner D G at al.: Foliengießen, Sintern und Anwendungen von Aluminiumnitrid“, Sprechsaal, Bd. 121, Nr. 3, 1. März 1988 (1988-03-01), Seiten 181-186, XP001263640 [0008]
