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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Wicklungsträger, der einen zylinderförmigen Grundkörper und radial von dem Grundkörper abragende Trägerzähne umfasst und durch den Grundkörper und jeweils zwei der Trägerzähne begrenzte Nuten aufweist, und wenigstens einer durch den Wicklungsträger getragenen Wicklung, die durch leitend verbundene Leiterabschnitte gebildet ist, die jeweils durch wenigstens eine der Nuten des Wicklungsträgers geführt sind und an den axialen Stirnflächen des Wicklungsträgers über diesen hinausragen, wobei an beiden axialen Stirnflächen des Wicklungsträgers ein Spannring angeordnet ist, der Stützabschnitte ausbildet, die sich jeweils radial entlang einer jeweiligen axialen Stirnfläche eines jeweiligen der Trägerzähne erstrecken und zumindest Teile der durch die zu dem jeweiligen Trägerzahn benachbarten Nuten geführten Leiterabschnitte mechanisch kontaktieren. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen wenigstens einer Wicklung auf einen Wicklungsträger einer elektrischen Maschine.
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Wicklungen von elektrischen Maschinen, insbesondere von Statoren, können in einer sogenannten Hairpin-Bauweise aufgebaut werden. Hierbei wird ein meist rechteckiger Profildraht zunächst in eine U-Form beziehungsweise Hairpin-Form gebogen. Mehrere dieser Hairpins werden anschließend kreisförmig angeordnet und ihre Schenkel in die Nuten eines Blechpakets eingesetzt. Die freien Enden der einzelnen Hairpins werden anschließend in Umfangsrichtung des Blechpakets um einen definierten Winkel verdreht, wobei insbesondere alle freien Enden auf einem bestimmten Durchmesser beziehungsweise in einer bestimmten Wicklungslage in die gleiche Richtung, insbesondere in eine Richtung entgegengesetzt zur benachbarten Lage, verdreht werden. Diesen Vorgang nennt man „Twisten“. Nach dem Twisten liegen die zu verbindenden freien Enden benachbart zueinander und können beispielsweise miteinander verschweißt werden, um sie leitfähig zu verbinden. Je nach gewünschtem Wickelschema können anschließend Verschaltbrücken auf den Wickelkopf aufgesetzt werden, um die Hairpins zu einer Gesamtwicklung zu verschalten. Abschließend können die Pinenden isoliert und der gesamte Stator imprägniert werden.
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Die beschriebene Technik wird insbesondere im Automobilbereich häufig zur Herstellung von Elektromotoren genutzt, da sie eine hohe Automatisierbarkeit und einen hohen Kupferfüllfaktor erreicht. Zugleich resultieren bei einem herkömmlichen Hairpin-Wickeln jedoch auch einige Nachteile. Als Wicklungsträger beziehungsweise Statorkörper wird typischerweise ein Paket aus Blechlamellen genutzt. Dieses ist jedoch während des Aufbringens der Wicklung axial kraftfrei, so dass zwischen den Blechlamellen verhältnismäßig große Spalte entstehen können, die im Produkt verbleiben. Insbesondere wenn eine direkte Flüssigkeitskühlung des Blechpaketes erfolgen soll, ist dies ungünstig, da die Spalte zu Leckagen führen können.
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Um eine Beschädigung der Leiter beziehungsweise von genutzten Isolationen zu vermeiden, wird zudem möglicherweise ein Fingerwerkzeug genutzt, das im Bereich der Stirnflächen der Statorzähne angeordnet wird und die freien Enden der Hairpins beim Biegen stützt. Dieses wird nach Abschluss des Wickelprozesses wieder entfernt, womit relativ großen Lücken beziehungsweise Freiräume zwischen der Stirnfläche des Blechpakets und dem Wicklungskopf verbleiben. Bei Maschinen mit einer flüssigkeitsbasierten Kühlung kann durch diese Lücken ein relativ großer Volumenstrom des Fluids in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator eindringen und dort beispielsweise zu zusätzlichen Reibungsverlusten führen.
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Ähnliche Probleme können auftreten, wenn eine flüssigkeitsbasierte Rotorkühlung verwendet wird, bei der aus dem Rotor austretendes Kühlfluid durch Fliehkraft gegen die Wickelköpfe des Stators geschleudert wird, um diese zu kühlen. Hierbei muss vermieden werden, dass verhältnismäßig große Volumenströme in den Luftspalt eindringen und dort wie obig erläutert Verluste erzeugen. Hierzu ergeben sich bei konventionell aufgebauten Statoren kaum konstruktive Möglichkeiten.
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Die Druckschrift
WO 2015/087128 A2 offenbart eine Isolatorscheibe, die derart an einem Stator angeordnet werden kann, dass Statorzahnabdeckungen sich entlang der Statorzähne erstrecken, wobei eine Öffnung zwischen benachbarten Statorzahnabdeckungen eine geringere Breite aufweisen als die Nuten des Stators. Die Statorzahnabdeckungen stützen die Leiter beim Twisten ab. Der beschriebene Isolator kann zwar helfen, einige der eingangs beschriebenen Probleme zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Es verbleibt jedoch das Problem, dass sich im Rahmen des Aufbringens der Wicklung Spalten in einem Blechpaket bilden können. Zudem erschwert die Nutzung der beschriebenen Isolationsscheibe das Einlegen von Isolationspapier in die Nuten des Stators erheblich, so dass ein Einsatz dieser Isolationsscheibe nur zweckmäßig erscheint, wenn auf Isolationspapier verzichtet wird, beispielsweise wenn relativ geringe Spannungen in der Windung genutzt werden.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lösung für die oben genannten Probleme anzugeben, wobei insbesondere einerseits eine Spaltbildung in einen aus einem Blechpaket gebildeten Wicklungsträger vermieden werden soll und andererseits eine problemlose Nutzung von in Nuten eingelegten Isolatoren möglich sein soll.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der jeweilige Stützabschnitt die axiale Stirnfläche des jeweiligen Statorzahns ausschließlich in einem Kontaktbereich kontaktiert, der von den benachbarten Nuten beabstandet ist.
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Anders ausgedrückt liegt der Randbereich der Stirnfläche des jeweiligen Trägerzahns in Umfangsrichtung frei. Beispielsweise kann eine Nutkante durch eine Fase des Stützabschnitts gezielt freigestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Einschränkung des Kontaktbereichs eröffnet insbesondere die Möglichkeit, die Spannringe auf bereits im Vorfeld in die Nuten eingelegte beziehungsweise axial eingeführte Isolationspapiere oder Ähnliches aufzuschieben. Alternativ wäre es auch ohne weiteres möglich, Isolationspapiere oder ähnliches axial in die Nuten einzuführen, nachdem die Spannringe bereits an dem Wicklungsträger angeordnet sind. Aufgrund des eingeschränkten Kontaktbereichs bleiben diese im Übergangsbereich zwischen Nut und Spannring nicht hängen, sondern können problemlos eingeführt werden.
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Der Abstand des Nutrands zum Stützabschnitt kann insbesondere dazu führen, dass an der Kontaktstelle des jeweiligen Leiterabschnitts zu dem Stützabschnitt der Leiterabschnitt bereits gewinkelt zur Axialrichtung des Wicklungsträgers verläuft und daher bereits eine Kraft in axialer Richtung auf den jeweiligen Stützabschnitt und somit über den Spannring auch auf den Wicklungsträger übertragen kann. Da ein derartiger Krafteintrag über beide Stirnflächen des Wicklungsträgers erfolgen kann, kann die Wicklung somit eine Klemmkraft auf den Grundkörper übertragen, die bei einer Ausbildung des Grundkörpers als axial geschichtestes Laminat, beispielsweise als Blechpaket, eine Spaltbildung vermeiden oder zumindest verringern kann.
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Der Wicklungsträger kann insbesondere ein Blechpaket sein. Die elektrische Maschine kann einen Stator und einen Rotor umfassen, wobei der Wicklungsträger vorzugsweise Teil des Stators ist. In diesem Fall bilden die Trägerzähne die Statorzähne. Typischerweise werden in elektrischen Maschinen mehrere Wicklungen, beispielsweise für drei Phasen eines Drehstroms, genutzt. Die mehreren Wicklungen können alle durch die Leiterabschnitte gebildet werden, wobei jeweils nur die Leiterabschnitte einer jeweiligen Wicklung untereinander leitend verbunden sind.
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Der jeweilige Stützabschnitt kann sich zumindest in einem zu der Stirnfläche des Wicklungsträgers benachbarten Weitungsabschnitt mit zunehmendem Abstand von der Stirnfläche in Umfangsrichtung des Wicklungsträgers weiten. Die relativ geringe Breite des Stützabschnitts im Bereich der Stirnfläche ermöglicht wie obig erläutert ein leichtes Auffädeln der Stützabschnitte auf vorhandene in die Nuten eingelegte Isolationsmittel, beispielsweise auf Isolationspapier, beziehungsweise ein leichtes Einfädeln der Isolationsmittel. Der Weitungsbereich stützt den Leiter beim Umlenken ab, so dass beim Twisten ein Kontakt der Leiterabschnitte beziehungsweise des Isolationsmittels mit den Kanten zwischen Nutseitenwand und Stirnfläche des Wicklungsträgers vermieden werden kann beziehungsweise auftretende Kräfte reduziert werden können. Hierdurch können Beschädigungen des Isolationsmittels beziehungsweise der Isolation des jeweiligen Leiterabschnitts vermieden werden.
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Vorzugsweise ist der Stützabschnitt in Umfangsrichtung an der Stelle der maximalen Breite dennoch schmaler als der Trägerzahn an der entsprechenden Position in Radialrichtung. Dies kann insbesondere die Nutzung von in Nuten eingelegten Isolationsmitteln weiter verbessern und dazu beitragen, axiale Kräfte aufzubauen, die den Grundkörper zusammenpressen, um eine Spaltbildung zu vermeiden.
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Die Leiterabschnitte können insbesondere U-förmige Leiterklammern, insbesondere die eingangs erwähnten Hairpins, sein. Diese können zwei durch eine jeweilige Nut geführte Axialabschnitte und einen diese verbindenden Verbindungsabschnitt aufweisen. Die über den Spannring hinausragenden freien Enden der Axialabschnitte können in Umfangsrichtung gebogen werden, um das obig erläuterte Twisten zu realisieren.
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Zumindest einige der Leiterabschnitte können derart elastisch verformt sein, dass sie eine jeweilige axiale Rückstellkraft in Richtung des Wicklungsträgers auf die durch sie mechanisch kontaktierten Stützabschnitte beider Spannringe ausüben. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass im Rahmen des Aufbringens der Wicklung, wie später noch genauer erläutert werden wird, die Spannringe von beiden Seiten gegen den Wicklungsträger gepresst werden, um beispielsweise ein Laminat, das diesen bildet, geringfügig zu komprimieren. Nach dem Einbringen, Twisten und Verbinden der Leiterabschnitte kann eine entsprechende Verspannung gelöst werden, womit der Wicklungsträger versucht, sich in axialer Richtung auszudehnen. Hierbei verformt er die Leiterabschnitte elastisch, die entsprechend eine Rückstellkraft ausüben. Diese wirkt einer weiteren Ausdehnung und somit einer Spaltbildung entgegen.
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Die Spannringe können zwischen jeweils zwei der Stützabschnitte eine Durchführung für die durch eine jeweilige Nut geführten Leiterabschnitte aufweisen, die in Radialrichtung des Wicklungsträgers durch einen Innenring und/oder einen Außenring begrenzt ist. Ist die elektrische Maschine beispielsweise ein Innenläufer, und werden die Wicklungsköpfe wie eingangs erläutert, dadurch gekühlt, dass durch Zentrifugalkraft Kühlmittel aus Öffnungen des Rotors auf die Wicklungsköpfe geschleudert wird, kann ein Innenring der Spannringe dazu beitragen, das hierbei in den Spalt zwischen Rotor und Stator eindringende Fluidvolumen des Kühlmittels zu reduzieren, da dieses nicht ungehindert entlang der Leiterabschnitte strömen kann, sondern an dem Innenring gestoppt werden kann. Der Außenring kann insbesondere dazu dienen, dass Werkzeuge im Rahmen der Herstellung der elektrischen Maschine beziehungsweise des Aufbringens der Wicklung auf den Wicklungsträger an die Spannringe oder zumindest einen der Spannringe angreifen können. Dies wird später noch mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren genauer erläutert werden.
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Die von dem Wicklungsträger abgewandte Stirnfläche des Innenrings und/oder des Außenrings kann zu den Durchführungen hin geneigt sein. Anders ausgedrückt liegt in Axialrichtung des Wicklungsträgers betrachtet die Stirnfläche angrenzend zur Durchführung näher an dem Wicklungsträger als an der gegenüberliegenden Seite des Innen- und/oder Außenrings. Es wird somit ein Trichter gebildet, durch den flüssiges Harz im Rahmen einer Träufel-Imprägnierung der Wicklung in die Nut geführt werden kann. Dies ermöglicht es, eine entsprechende Imprägnierung deutlich leichter und robuster durchzuführen.
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Neben der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst. Bei der elektrischen Maschine kann es sich insbesondere um den Antriebsmotor oder einen der Antriebsmotoren des Kraftfahrzeugs handeln.
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Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen wenigstens einer Wicklung auf einen Wicklungsträger einer elektrischen Maschine, das die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellen eines Wicklungsträgers, der einen zylinderförmigen Grundkörper und radial von dem Grundkörper abragende Trägerzähne umfasst und der durch den Grundkörper und jeweils zwei der Trägerzähne begrenzte Nuten aufweist,
- - Anordnen eines jeweiligen Spannrings an beiden axialen Stirnflächen des Wicklungsträgers derart, dass sich Stützabschnitte des jeweiligen Spannrings jeweils radial entlang einer jeweiligen axialen Stirnfläche eines jeweiligen der Trägerzähne erstrecken, wobei der jeweilige Stützabschnitt die jeweilige Stirnfläche ausschließlich in einem Kontaktbereich kontaktiert, der von den benachbarten Nuten beabstandet ist,
- - axiales Einführen von Leiterabschnitten in jeweils wenigstens eine der Nuten,
- - Biegen von zumindest Teilen der durch wenigstens eine der Nuten geführten Leiterabschnitte in Umfangsrichtung des Wicklungsträgers derart, dass sie einen der Stützabschnitte, der sich entlang der Stirnfläche eines der zu der jeweiligen Nut benachbarten Trägerzähne erstreckt, mechanisch kontaktieren, und
- - Herstellen einer leitenden Verbindung zwischen zumindest einigen der Leiterabschnitte, um die Windung bereitzustellen.
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Das erfindungsgemäße Vorgehen kann weitgehend dem bereits eingangs erläuterten Hairpin-Wickeln entsprechen. Gegenüber dem dort beschriebenen Vorgehen werden vor dem Einführen der Leiterabschnitte jedoch zusätzlich die Spannringe an dem Wicklungsträger angeordnet. Dies ermöglicht es neben den bereits erläuterten Vorteilen, dass auf die Nutzung eines separaten Fingerwerkzeugs verzichtet werden kann. Da die Spannringe am bewickelten Wicklungsträger beziehungsweise in der elektrischen Maschine verbleiben, wird somit das eingangs erläuterte Problem vermieden, dass zwischen dem Wicklungsträger und dem Wicklungskopf relativ große Lücken verbleiben, durch die Kühlmittel zwischen Rotor und Stator eintreten kann und zusätzlich Verluste verursachen kann.
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Die Leiterabschnitte sind vorzugsweise U-förmig beziehungsweise weisen eine Hairpin-Form auf und es werden zwei durch einen Verbindungsabschnitt ausgebildete Schenkel in voneinander unterschiedliche Nuten eingeführt. Die freien Enden der Schenkel werden anschließend durch ein Twisten, wie eingangs beschrieben, in Umfangsrichtung gebogen. Durch die unterschiedlichen Biegerichtungen für unterschiedliche Wicklungslagen beziehungsweise Umfangsradien sind anschließend die miteinander zu verbindenden freien Enden zueinander benachbart, so dass sie leicht durch Schweißen, Löten oder Ähnliches verbunden werden können. Kontaktieren die Leiterabschnitte nach dem Biegen beziehungsweise Twisten beziehungsweise nach dem Verbinden auch an jener Seite des Wicklungsträgers, an dem das Verbinden erfolgt, einen jeweiligen Stützabschnitt, kann, wie bereits obig erläutert, eine axiale Kraft auf beide Spannringe in Richtung Wicklungsträger resultieren, wodurch eine Spaltbildung im Wicklungsträger unterdrückt werden kann.
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Die Leiterabschnitte können prinzipiell separat nacheinander in die Nuten eingeführt werden. Typischerweise werden jedoch, wie für Hairpin-Wicklungen prinzipiell bekannt ist, die Leiterabschnitte zunächst zu einem sogenannten Pin-Korb kombiniert, der dann axial eingeführt beziehungsweise eingepresst wird.
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Vor dem Anordnen der Spannringe an dem Wicklungsträger oder zwischen dem Anordnen der Spannringe an dem Wicklungsträger und dem Einführen der Leiterabschnitte können Isolationsmittel, insbesondere Nutisolationspapier, derart axial in die Nuten eingeschoben werden, dass sie nach dem Anordnen der Spannringe an dem Wicklungsträger beidseitig axial über die Spannringe hinausragen. Wie bereits erläutert, kann durch den schmal gewählten Kontaktbereich, also durch Nutzung von relativ schmalen Stützabschnitten beziehungsweise einer Fase beziehungsweise Verjüngung der Stützabschnitte auf Seite des Wicklungsträgers, der Spannring leicht auf vorangehend eingeführte Isolationsmittel aufgeschoben werden beziehungsweise es wird ein leichtes einführen von Isolationsmitteln ermöglicht, ohne dass sich diese im Übergangsbereich zwischen Wicklungsträger und Spannring verhaken können.
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Die Stützabschnitte wenigstens eines der Spannringe können durch einen Innenring und/oder durch einen Außenring verbunden sein, wobei der Innenring und/oder der Außenring Ausnehmungen und/oder Vorsprünge aufweist, an die in einem Schritt des Verfahrens nach dem Anordnen der Spannringe an dem Wicklungsträger ein Werkzeug angreift, um den Wicklungsträger zu halten oder handzuhaben. Beispielsweise kann der Außenring eine Außenverzahnung aufweisen, um ein leichtes Angreifen des Werkzeugs zu ermöglichen. Diese kann auch dazu dienen, den Wicklungsträger beim Biegen beziehungsweise Twisten der Leiterabschnitte gegen ein Verdrehen zu stabilisieren. Der Innenring kann mit dem radial inneren Ende der Stützabschnitte verbunden sein und der Außenring mit ihrem radial äußeren Ende. Die Stützabschnitte und der Innen- und/oder Außenring können einteilig ausgebildet sein und beispielsweise durch Spritzguss hergestellt sein.
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Zumindest während des Einführens der Leiterabschnitte und/oder des Biegens der Leiterabschnitte und/oder des Herstellens der leitenden Verbindung kann das oder ein Werkzeug an beide Spannringe angreifen und die Spannringe gegen die jeweilige Stirnfläche des Wicklungsträgers pressen. Hierdurch wird, beispielsweise wenn der Wicklungsträger aus einem Laminat gebildet ist, eine Spaltbildung während der genannten Schritte verhindert. Nach dem Biegen beziehungsweise Verbinden der Leiterabschnitte können diese eine Klemmkraft auf die Spannringe aufbringen, wie obig erläutert wurde. Hierdurch kann auch nach Trennen des Werkzeugs eine Spaltbildung vermieden beziehungsweise verringert werden.
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Zumindest Teile der Leiterabschnitte können zwei Axialabschnitte und einen diese verbindenden Verbindungsabschnitt aufweisen, wobei die Axialabschnitte bei dem Einführen der Leiterabschnitte in verschiedene der Nuten eingeführt werden, wobei zumindest während des Biegens der Leiterabschnitte und/oder des Herstellens der leitenden Verbindung das oder ein Werkzeug an die Verbindungsabschnitte und an den auf der von den Verbindungsabschnitten abgewandten Seite des Wicklungsträgers angeordneten Spannring angreift, um die Verbindungsabschnitte mit einer Kraft in Richtung dieses Spannrings zu beaufschlagen und umgekehrt.
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Beispielsweise können die Verbindungsabschnitte auf einer Platte abgestützt sein und ein Ring, Ringabschnitt oder Ähnliches kann an den an der Verbindungsseite des Wicklungsträgers angeordneten Spannring angreifen, um diesen mit einer Kraft in Richtung der Platte zu beaufschlagen oder umgekehrt. Die Verbindungsabschnitte können an einem oder mehreren der Stützabschnitte jenes Spannrings anliegen, der an der den Verbindungsabschnitten zugewandten Seite des Wicklungsträgers angeordnet ist. Somit wird die auf die Verbindungsabschnitte übertragene Kraft zumindest teilweise auf diesen Spannring und somit auf die Stirnfläche des Wicklungsträgers übertragen. Somit werden auch in diesem Fall beide Spannringe genutzt, um den Wicklungsträger zu komprimieren, womit die bereits obig erläuterten Vorteile erreicht werden.
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Die Spannringe können zwischen jeweils zwei der Stützabschnitte eine Durchführung für die durch eine jeweilige Nut geführten Leiterabschnitte aufweisen, die in Radialrichtung des Wicklungsträgers durch den oder einen Innenring und/oder durch den oder einen Außenring begrenzt ist, wobei die von dem Wicklungsträger abgewandte Stirnfläche des Innenrings und/oder des Außenrings zu den Durchführungen hin geneigt ist, wobei die Wicklung imprägniert wird, indem flüssiges Harz auf diese Stirnfläche des Innenrings und/oder Außenrings geträufelt wird. Wie bereits obig erläutert, können die angeschrägten Stirnflächen einen Trichter beziehungsweise eine Einführhilfe für das Harz in die Nut beziehungsweise zur Befüllung von Nutisolationspapier bilden. Hierdurch lässt sich der Prozess der Harzeinbringung und damit der Harzfüllfaktor in der Nut verbessern. Ziel einer solchen Träufel-Imprägnierung von Wicklungen ist es, alle Hohlräume zwischen dem Wicklungsträger, dem optional genutzten Nutisolationspapier und den Leiterabschnitten innerhalb der Nuten und gegebenenfalls auch im Wicklungskopf zu verschließen. Dies ist bei üblichen Wicklungsträgern, ohne die obig beschriebenen Spannringe, die Trichter bilden, jedoch häufig nicht vollständig beziehungsweise nur mit hohem Aufwand möglich.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 einen Zwischenschritt in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 einen in einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine beziehungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzten Spannring,
- 3 + 4 Detailansichten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Elektromaschine,
- 5 + 6 eine Klemmung des Wicklungsträgers zwischen zwei Spannringen in verschiedenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 7 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt schematisch einen Zwischenritt im Rahmen des Aufbringens einer Wicklung auf einen Wicklungsträger 1 einer elektrischen Maschine. Insbesondere können Wicklungen auf einen Stator als Wicklungsträger 1 aufgebracht werden. Eine an sich bekannte Möglichkeit, entsprechende Wicklungen aufzubringen, ist das Aufbringen einer sogenannten Hairpin-Wicklung. Hierbei werden, wie in 1 schematisch durch den Pfeil 8 dargestellt ist, Leiterabschnitte 2, die zwei Axialabschnitte 3 und einen Verbindungsabschnitt 4 aufweisen, axial in in 1 nicht dargestellte Nuten des Wicklungsträgers 1 eingeführt. Die freien Enden 9 der Axialabschnitte 3, die sich nach dem Einführen der Leiterabschnitte 2 in die Nuten über den Wicklungsträger 1 hinaus erstrecken, sind in 1 gestrichelt dargestellt.
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Nachdem die Leiterabschnitte 2 in den Wicklungsträger 1 eingeführt wurden, werden die freien Enden 9 in Umfangsrichtung gebogen, wobei typischerweise alle freien Enden 9, die auf dem gleichen Radius beziehungsweise in der gleichen Wicklungslage zum Liegen kommen, in die gleiche Richtung in Umfangsrichtung gebogen werden, wobei freie Enden 9 in benachbarten Lagen in entgegensetzte Richtungen in Umfangsrichtung gebogen werden. Nach diesem „Twisten“ der freien Enden liegen zu verbindende freie Enden 9 benachbart zueinander und können beispielsweise verschweißt oder verlötet werden.
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Obwohl 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nur einen einzigen Leiterabschnitt 2 zeigt, der axial eingeführt wird, werden bei üblichen Verfahren zum Hairpin-Bewickeln eines Wicklungsträgers 1 eine Vielzahl entsprechender Leiterabschnitte zunächst zu einem Korb geformt, der anschließend gemeinsam axial in den Wicklungsträger 1 eingeführt wird. Verfahren zur Hairpin-Bewicklung eines Wicklungsträgers 1 sind prinzipiell bekannt und sollen daher nicht detailliert erläutert werden.
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Der Wicklungsträger 1 ist typischerweise aus einem Laminat von Blechpaketen gebildet, die in Axialrichtung des Wicklungsträgeres 1, also in Hochrichtung in 1, geschichtet sind. Bei üblichen Verfahren zum Hairpin-Wickeln ist der Wicklungsträger 1 während der Wicklung in Axialrichtung kräftefrei, wodurch sich Spalte zwischen den einzelnen Blechen eines solchen Laminats bilden können. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn der Wicklungsträger 1 in der elektrischen Maschine direkt durch Flüssigkeit gekühlt werden soll, da durch die Spalte Leckagen des Kühlfluids auftreten können.
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Um dies zu vermeiden werden, wie in 1 gezeigt ist, an den axialen Stirnflächen 10, 11 des Wicklungsträgers 1 Spannringe 5, 6 angeordnet, an die im gezeigten Beispiel ein nur schematisch dargestelltes Werkzeug 7 angreift, um sie in Richtung des Wicklungsträgers 1 zu pressen, womit der Wicklungsträger 1 in Axialrichtung zusammengepresst wird und somit eine Spaltbildung unterdrückt wird. Wie später noch detailliert erläutert werden wird, kann über die Spannringe 5 auch nach dem Aufbringen der Wicklung und dem Lösen des Werkzeugs 7 weiterhin eine Kraft aufgebracht werden, die den Wicklungsträger 1 in Axialrichtung zusammendrückt, womit auch eine Spaltbildung zu späteren Zeitpunkten, beispielsweise im Rahmen des Betriebs der elektrischen Maschine, unterdrückt werden kann.
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2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Spannringe 5, 6 am Beispiel des Spannrings 6 und die 3 und 4 zeigen in geschnittenen Detailansichten das Zusammenwirken der Spannringe 5, 6 mit der jeweiligen Stirnfläche 10, 11, und der Wicklung 15 am Beispiel der Stirnfläche 11.
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Der Wicklungsträger 1 ist aus einem zylinderförmigen Grundkörper 12 und radial von dem Grundkörper 12 abragenden Trägerzähnen 13 gebildet. Der Grundkörper 12 und jeweils zwei der Trägerzähne 13 bilden jeweils eine Nut 14, wobei in den Nuten 14 jeweils Axialabschnitte 3 mehrerer Leiterabschnitte 2 angeordnet sind.
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Um einerseits wie erläutert eine Spaltbildung im Wicklungsträger 1 zu unterdrücken und andererseits die Leiterabschnitte 3 bei Biegung in Umfangsrichtung abzustützen, so dass auf ein separates Fingerwerkzeug verzichtet werden kann, weisen die Spannringe 5, 6 jeweils eine Vielzahl von Stützabschnitten 16 auf, die sich jeweils radial entlang einer jeweiligen axialen Stirnfläche 17 der Trägerzähne 13 erstrecken und die zumindest Teile der durch die zu dem jeweiligen Trägerzahn 13 benachbarten Nuten 14 geführten Leiterabschnitte 2 mechanisch kontaktieren, wie beispielsweise im Bereich 19 dargestellt ist.
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Die Stützabschnitte 16 kontaktieren Stirnflächen 17 der Trägerzähne 13 ausschließlich in einem Kontaktbereich 18, der in Umfangsrichtung des Wicklungsträgers 1 von den benachbarten Nuten 14 beabstandet ist. Hieraus resultiert einerseits der Vorteil, dass im Bereich 19, in dem der jeweilige Leiterabschnitt 2 den jeweiligen Stützabschnitt 16 kontaktiert, der Leiterabschnitt 2 bereits gewinkelt zur Axialrichtung des Wicklungsträgers 1 verläuft. Somit wird in Axialrichtung eine Kraft auf den Stützabschnitt 16 übertragen. Insbesondere wenn, wie vorangehend mit Bezug auf 1 erläutert wurde, der Grundkörper 1 mit Hilfe des Werkzeugs 7 zumindest während des Twistens der Leiterabschnitte 2 und/oder während des Verbindens der freien Enden 9 der verschiedenen Leiterabschnitte 2 komprimiert wurde, kann es sein, dass die Leiterabschnitte 2 im bewickelten Wicklungsträger 1 vorgespannt sind, wodurch im Bereich der Stirnfläche 10 durch den Verbindungsabschnitt 4 und im Bereich der Stirnfläche 11 durch die gebogenen verbundenen freien Enden 9 die einzelnen Stützabschnitte 16 in Richtung der jeweiligen Stirnflächen 17 des jeweiligen Statorzahns 13 gepresst werden. Da die Stützabschnitte 16 beispielsweise durch einen Außenring 21 und einen Innenring 22 miteinander verbunden sind, werden die gesamten Spannringe 5, 6 durch die elastische Vorspannung der Leiterabschnitte 2 zueinander hingedrückt und komprimieren somit den Wicklungsträger 1 in axialer Richtung, wodurch eine Spaltbildung auch im fertig bewickelten Zustand des Wicklungsträgers 1 unterdrückt wird.
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Ein weiterer Vorteil der relativ schmalen Ausgestaltung des Kontaktbereichs 18 ist es, dass hierdurch auch bei Verwendung der Spannringe 5, 6 weiterhin problemlos ein in die Nuten 14 eingelegte Isolationsmittel 20, insbesondere Isolationspapier, genutzt werden kann. Dieses kann insbesondere bereits vor der Anordnung der Spannringe 5, 6 an dem Wicklungsträger 1 in die Nuten eingelegt beziehungsweise axial in diese eingeführt werden. Aufgrund des relativ schmalen Kontaktbereichs 18 können die Spannringe problemlos auf das bereits in den Nuten 14 angeordnete Isolationsmittel 20 aufgefädelt werden. Alternativ wäre es beispielsweise auch problemlos möglich, die Isolationsmittel 20 nach dem Anordnen der Spannringe 5, 6 an dem Wicklungsträger 1 axial in diesen einzuführen, da aufgrund des relativ schmalen Kontaktbereichs 18 ausgeschlossen werden kann, dass sich die Isolationsmittel 20 beim Einführen an dem Übergangsbereich zwischen dem jeweiligen Statorzahn 13 und dem jeweiligen Stützabschnitt 16 verhaken.
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Um dennoch zu vermeiden, dass beim Biegen der freien Enden 9 große Kräfte im Bereich einer stirnflächenseitigen Kante des jeweiligen Statorzahns 13 auf die jeweiligen Leiterabschnitte 3 beziehungsweise das Isolationsmittel 20 wirken, ist es vorteilhaft, wenn wie in 3 gezeigt, sich der jeweilige Stützabschnitt 16 in einem zu der Stirnfläche 11 des Wicklungsträgers benachbarten Weitungsabschnitt 23 mit zunehmenden Abstand von der Stirnfläche in Umfangsrichtung des Wicklungsträgers weitet.
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Die Spannringe 5, 6 weisen zwischen zwei der Stützabschnitte 16 jeweils eine Durchführung 24 für die Leiterabschnitte 2 auf. Dies ist in Radialrichtung des Wicklungsträgers 1 durch den Innenring 22 und den Außenring 21 begrenzt. Zusätzlich zur Verbindung der Stützabschnitte 16 können der Innen- und Außenring 21, 22 noch weitere Zwecke erfüllen. Wird beispielsweise der Wicklungskopf 28, also jener Bereich in der Wicklung 15, der über die Spannringe 5, 6 hinaussteht, dadurch gekühlt, dass beispielsweise über eine Rotorwellenkühlung eine Besprühung der Innenseite des Wicklungskopfes 28 mit Kühlmittel erfolgt, tritt bei konventionellen elektrischen Maschinen das Problem auf, dass die Kühlflüssigkeit zumindest teilweise entlang der Leiterabschnitte 2 in den Spalt zwischen Rotor und Stator strömt und dort zusätzliche Verluste erzeugen kann. Der Innenring 22 kann dazu beitragen, ein solches Einströmen von Kühlfluid in den Spalt zwischen Rotor und Stator zu vermieden beziehungsweise zumindest zu unterdrücken.
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Bei elektrischen Maschinen sollen die Wicklungen typischerweise nach dem Aufbringen imprägniert werden. Ein Ansatz hierfür ist es, flüssiges Harz auf die Wicklungsköpfe 28 und in dem Bereich der Eingänge der Nuten 14 aufzubringen. Das dünnflüssige Harz zieht durch die Kapillarwirkung in die Wicklungen ein und härtet dort aus. Hierbei sollen im Idealfall alle Hohlräume zwischen Blechpaket, Nutisolationspapier und Leiter befüllt werden. Dies ist bei üblichen Wicklungsträgern jedoch nur mit hohem technischen Aufwand zu erreichen. Um eine entsprechende Imprägnierung zu verbessern, kann die Stirnfläche 25 des Außenrings 21 jeweils zu den Durchführungen 24 hingeneigt sein und bildet somit eine Art Trichter für flüssiges Harz, um das Imprägnieren zu unterstützen.
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Wie bereits schematisch in 1 dargestellt wurde, ist es vorteilhaft, wenn an die Spannringe 5, 6 ein Werkzeug 7 angreifen kann. Dieses soll einerseits wie erläutert einen axialen Druck aufbauen können und kann andererseits beispielsweise dazu dienen, bei den Biegen der freien Enden 9 der Leiterabschnitte 2 in Umfangsrichtung ein Verdrehen des Wicklungsträgers 1 zu blockieren. Um einen robusten Werkzeugangriff zu ermöglichen, weist der in 2 gezeigte Spannring 6 eine Außenverzahnung, also Vorsprünge 26 und Ausnehmungen 27, am Außenring 21 auf, an die das Werkzeug 7 angreifen kann.
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5 und 6 zeigen geschnittene Darstellungen verschiedener Ansätze der Kompression des Blechpakets durch ein jeweiliges Werkzeug 7. Hierbei entspricht das in 5 dargestellte Vorgehen im Wesentlichen dem bereits in 1 schematisch dargestellten Vorgehen, wobei in 5 die Wicklung 15 bereits in den Wicklungsträger 1 eingebracht ist. Das Werkzeug 7 wird durch eine feststehende Platte 29 und eine bewegliche Platte 30 gebildet, wobei die Platten 29, 30 Durchbrechungen zur Aufnahme der Wicklung 15 aufweisen, wie in 5 dargestellt ist. Die Platten 29, 30 greifen an den Vorsprüngen 34, 35 der Spannringe 5, 6 an, so dass bei Aufbringen einer Kraft auf die bewegliche Platte 30, wie durch die Pfeile 31 dargestellt ist, in den Wicklungsträger 1 einerseits ein Krafteintrag über die bewegliche Platte 30 und den Spannring 5 erfolgt, wie durch den Pfeil 32 dargestellt ist, und andererseits ein Krafteintrag über die feststehende Platte 29 und den Spannring 6 erfolgt, wie durch die Pfeile 33 dargestellt ist. Dies ermöglicht die Kompression des Wicklungsträgers 1 in Axialrichtung, um eine Spaltbildung zu vermeiden, wie vorangehend erläutert.
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6 zeigt eine Abwandlung des Werkzeugs 7, das sich von dem in 5 genutzten Werkzeug dadurch unterscheidet, dass die bewegliche Platte 30 keine Ausnehmung aufweist und nicht direkt den Spannring 5 kontaktiert, sondern stattdessen die Verbindungsabschnitte 4 der Leiterabschnitte 2. Da jedoch die beiden Axialabschnitte 3 eines jeweiligen Leiterabschnitts 2 durch unterschiedliche Durchführungen 24 des Spannrings 5 geführt sind, führt die schematisch durch die Pfeile 37 dargestellte Kraft auf die Verbindungsabschnitte 4 auch zu einem Krafteintrag in den Spannring 5 und somit auf den Wicklungsträger 1, wie durch den Pfeil 32 dargestellt ist. Somit können auch im Fall der 6, wie bereits zur 5 detailliert erläutert wurde, Kräfte 32, 33 in den Wicklungsträger 1 eingebracht werden, um diesen axial zu komprimieren. Der in 6 dargestellte Ansatz kann jedoch vorteilhaft sein, da zur Kompression des Wicklungsträgers 1 beispielsweise das gleiche Werkzeug 7 genutzt werden kann, das auch dazu genutzt wird, die Leiterabschnitte 3 beziehungsweise einen aus diesen gebildeten Korb axial in den Wicklungsträger 1 einzuführen beziehungsweise einzupressen.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 38, das eine elektrische Maschine 39 umfasst, die beispielsweise der Antriebsmotor sein kann. Die elektrische Maschine 39 weist einen Stator 40 und einen Rotor 41 auf, wobei insbesondere der Stator 40 durch einen Wicklungsträger 1 gebildet ist, der wie obig erläutert bewickelt wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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