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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Leistungsanschluss gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Elektrische Maschinen weisen einen Leistungsanschluss auf, der insbesondere als ein Hochvolt-Leistungsanschluss ausgebildet sein kann und der eine elektrische Verbindung zwischen einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine und einer elektrischen Energiequelle herstellt. Insbesondere kann der Leistungsanschluss ausgebildet sein, elektrische Energie von einer externen Energiequelle, beispielweise von einem Akkupack oder von einem Generator in ein mehrphasiges Spulenwicklungssystem des Stators einzuprägen und mittels eines Inverters ein elektromagnetisches Wechselfeld zur Erzeugung eines Rotordrehmoments der elektrischen Maschine bereitzustellen. Eine grundsätzliche Anforderung an den Leistungsanschluss besteht daher einerseits darin, eine möglichst verlustleistungsarme Energieübertragung zu realisieren und zum anderen soll dieser dabei konstruktiv einfach, betriebssicher und zugleich kostengünstig aufgebaut sein. Die zu übertragende elektrische Leistung ist beispielsweise bei einem elektrischen Antrieb für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug durch eine Stromstärke im Bereich von oberhalb etwa 300 Ampere und durch eine Spannung im Bereich von oberhalb etwa 150 Volt gekennzeichnet.
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Der erforderliche elektrische Übertragungsweg von der Energiequelle zum Wicklungssystem des Stators ist üblicherweise mehrteilig und unter Ausbildung von elektrischen Verbindungsstellen mit entsprechenden Übergangswiderständen ausgeführt. Von besonderer Bedeutung sind dabei phasenweise und in der Regel lösbare externe Verbindungsstellen zum Anklemmen von externen Anschlussleitern und dementsprechend gleichfalls phasenweise ausgebildete interne Verbindungsstellen, welche jeweils mit einem internen Phasenleiter bzw. einer Stromschiene verbunden sind. Die elektrische Verbindung zwischen diesen Anschlussabschnitten wird durch ein Anschlusselement hergestellt, welches an einem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet ist und dieses durchdringen kann. Hinsichtlich der erforderlichen Stromtragfähigkeit stellen die Stromschienen, die Anschlusselemente und die zwischen diesen vorhandenen internen Verbindungsstellen hochbelastete Elemente einer elektrischen Maschine dar. Ein derartiger Leistungsanschluss ist beispielweise mit der
DE 10 2011 080 250 A1 der Anmelderin bekannt geworden.
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Davon ausgehend stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine elektrische Maschine mit einem Leistungsanschluss, insbesondere einem Hochvolt-Leistungsanschluss mit einer weiter verbesserten Stromtragfähigkeit bereitzustellen. Dabei sollen die Verbindungspartner des Leistungsanschlusses bei der Herstellung einer gegenseitigen Fügeverbindung und beim Betrieb der elektrischen Maschine sicher zueinander positioniert werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Leistungsanschluss gemäß Patentanspruch 1. In den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Es wird somit eine elektrische Maschine mit einem Leistungsanschluss vorgeschlagen, welcher zunächst zumindest ein elektrisches Anschlusselement mit einem internen Anschlussabschnitt und mit einem externen Anschlussabschnitt aufweist. Dabei ist der interne Anschlussabschnitt mit einer maschinenseitigen Stromschiene verbunden und bildet eine interne Verbindungsstelle aus und der externe Anschlussabschnitt ist unter Ausbildung einer externen Verbindungsstelle zur Verbindung mit einem externen Anschlussleiter ausgebildet und vorgesehen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die interne Verbindungsstelle als eine Feder-Nut-Verbindung mit einem ersten gegenseitigen Anlagebereich ausgebildet ist, wobei an einem der Verbindungspartner von Anschlusselement und Stromschiene eine Feder und an dem jeweils anderen der Verbindungspartner eine damit in Eingriff stehende Nut vorgesehen ist. Dabei liegen die Umfangswandbereiche der Feder und der Nut gegenseitig aneinander an.
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Durch die Ausbildung einer Feder-Nut-Verbindung wird durch die zusammenwirkenden Umfangswandbereiche gegenüber einer Verbindung von ebenen Fügeflächen zum einen eine vergleichsweise große Verbindungsfläche geschaffen und zum anderen durch eine entsprechende lageorientierte Ausbildung von Feder und Nut bzw. einer entsprechenden Ausnehmung eine vorbestimmte Positionierung dieser Elemente ermöglicht. Durch die vergrößerte Stromtragfähigkeit der internen Verbindungsstelle wird der elektrische Widerstand dieser Verbindung stark erniedrigt und dadurch eine übermäßige Erhitzung des Verschaltungselements und somit der elektrischen Maschine im Betrieb verhindert.
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Zum Weiteren kann auch ein Fügeprozess erleichtert und sicherer ausgeführt werden. Die Feder und die Nut können eine Haupterstreckungsrichtung und darüber hinaus strukturelle Merkmale aufweisen, welche ein Fügen von Anschlusselement und Stromschiene nur in einer vorbestimmten gegenseitigen Lage und damit eine eindeutige Lagezuordnung, insbesondere nach dem Poka-Yoke-Prinzip ermöglichen. Derartige strukturelle Merkmale können beispielweise unsymmetrisch an den Fügepartnern, jedoch zueinander korrespondierende Vorsprünge, Ausnehmungen, Abflachungen oder ähnliches sein. Das vorgeschlagene Anschlusselement kann allgemein beispielsweise bolzenförmig oder plattenförmig ausgebildet sein. Der externe Anschlussabschnitt kann günstiger Weise als ein Element einer Schraubverbindung, insbesondere als ein Schraubbolzen oder als eine Hülsenmutter gefertigt sein. Zur drehgesicherten Festlegung eines oder mehrerer Anschlusselemente in oder an einem Isolierkörper kann eine äußere Umfangsfläche eines solchen Anschlusselements von einer Kreiszylinderfläche abweichend geformt und etwa prismenförmig ausgeprägt sein.
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Mit weiterem Vorteil kann die interne Verbindungsstelle einen zweiten gegenseitigen Anlagebereich umfassen, wobei an einem der Verbindungspartner eine erste Basisfläche ausgebildet ist, von welcher die vorgenannte Feder vorsteht und wobei an dem anderen Verbindungspartner eine an die Nut angrenzende zweite Basisfläche ausgebildet ist. Dabei können die erste Basisfläche und die zweite Basisfläche gegenseitig aneinander anliegen, wodurch eine noch weitere Vergrößerung der gemeinsamen Fügefläche und eine weitere Erhöhung der Stromtragfähigkeit der internen Verbindungsstelle erzielt wird.
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Eine noch weitere Verbesserung in der bereits vorstehend erläuterten Hinsicht kann erreicht werden, indem die interne Verbindungsstelle mit einem dritten gegenseitigen Anlagebereich ausgebildet ist bzw. umfasst. Zu diesem Zweck kann an einem der Verbindungspartner eine erste Fügefläche und an dem jeweils anderen Verbindungspartner eine zweite Fügefläche vorgesehen sein, wobei die Fügeflächen unter einem Winkel, beispielsweise etwa unter einem rechten Winkel von den jeweiligen Basisflächen verlaufen und wobei die erste und die zweite Fügefläche gegenseitig aneinander anliegen. Durch das Vorsehen solcher Fügeflächen wird gleichfalls eine noch weiter verbesserte Lagezuordnung der Verbindungspartner ermöglicht.
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Gemäß einer fertigungstechnisch und funktionell günstigen Ausgestaltung können das Anschlusselement und die Stromschiene aus Kupfer oder aus Aluminium gefertigt sein.
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Zur dauerhaften und betriebssicheren gegenseitigen Festlegung der Verbindungspartner des Leistungsanschlusses wird vorgeschlagen, das Anschlusselement und die Stromschiene nicht lösbar und insbesondere stoffschlüssig durch Löten oder Schweißen miteinander zu verbinden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Leistungsanschluss;
- 2 einen mittels einer Feder-Nut-Verbindung ausgeführten Leistungsanschluss mit einer Stromschiene und einem Anschlusselement vor dem Fügen;
- 3a eine Teilschnittdarstellung des Leistungsanschlusses von 2 im gefügten Zustand;
- 3b eine perspektivische Ansicht des Leistungsanschlusses von 2 im gefügten Zustand.
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 10 mit einem Hochvolt-Leistungsanschluss 20, welche als Fahrantrieb in einem Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs vorgesehen ist. Die elektrische Maschine 10 umfasst einen um eine Achse A drehbar gelagerten Rotor 12, einen diesen umgebenden Stator 14 und ein diese Elemente umgebendes Maschinengehäuse 18, welches beispielweise als ein Getriebegehäuse des Antriebsstrangs vorliegen kann. Der Stator 14 ist zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit einer mehrphasigen Statorwicklung 15 ausgebildet, deren Wicklungsenden 16 (16-1, 16-2, 16-3) im Inneren der elektrischen Maschine mit mehreren Stromsammelschienen 28 bzw. Stromschienen 28-1, 28-2, 28-3 verbunden sind. Die Stromsammelschienen 28 erstrecken sich am Stator 14 in Umfangsrichtung und können diesen vollständig oder teilweise umschließen und im letzten Fall als Ringsegmente ausgebildet sein.
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Der Leistungsanschluss 20 weist im Ausführungsbeispiel weiter insgesamt drei bolzenförmige und vorliegend aus einem Kupfer- oder Aluminiumwerkstoff hergestellte elektrische Anschlusselemente 22 (22-1, 22-2, 22-3) auf, welche jeweils paarweise mit den Stromschienen 28 (28-1, 28-2, 28-3) verbunden sind.
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Mit Blick auf 2 weist jedes Anschlusselement 22 einen internen Anschlussabschnitt 24 und einen externen Anschlussabschnitt 26 auf. Der externe Anschlussabschnitt 26 ist unter Ausbildung einer externen Verbindungsstelle 32 zur Schraubverbindung mit einem externen Anschlussleiter 34 (34-1, 34-2, 34-3) ausgebildet und zum Anschluss an eine elektrische Energiequelle 35 bzw. einen Energiespeicher 35 vorgesehen, wie in 1 schematisch gezeigt. Im hier besprochenen Ausführungsbeispiel ist der externe Anschlussabschnitt 26 als eine Hülsenmutter mit einem Innengewinde und einer äußeren sechsseitigen Prismenfläche ausgebildet, wodurch das Anschlusselement 22 drehgesichert in einem hier zeichnerisch nicht dargestellten Kunststoffisolierkörper eingebettet werden und/oder von einem Werkzeug umgriffen werden kann. Der interne Anschlussabschnitt 24 ist zur dauerhaften und insbesondere nichtlösbaren Verbindung mit einer maschinenseitigen, gleichfalls aus einem Kupfer- oder Aluminiumwerkstoff gefertigten und hier bandförmigen und gebogenen Stromschiene 28 vorgesehen und bildet mit dieser eine interne Verbindungsstelle 30 aus, welche durch nachfolgend detailliert erläuterte Anlageflächen realisiert wird.
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Wie mit den 2; 3a, b dargestellt, ist die interne Verbindungsstelle 30 als eine Feder-Nut-Verbindung 36 mit einem ersten gegenseitigen Anlagebereich 38 ausgebildet. Dabei ist an einem der Verbindungspartner, hier am Anschlusselement 22 eine Feder 36a und an dem jeweils anderen der Verbindungspartner, hier an der Stromschiene eine damit in Eingriff stehende Nut 36b bzw. langlochförmige Ausnehmung vorgesehen, wobei an der Feder 36a und der Nut 36b vorhandene Umfangswandbereiche 361a, 361b gegenseitig aneinander anliegen. In 3a ist zudem beispielhaft ein Anschlussfortsatz 28c zur Verbindung mit einem Wicklungsende der mehrphasigen Statorwicklung 15 dargestellt. Solche Anschlussfortsätze sind an allen Stromschienen 28 vorgesehen.
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Des Weiteren ist in den Figuren erkennbar, dass die interne Verbindungsstelle 30 einen zweiten gegenseitigen Anlagebereich 40 umfasst. Dabei ist an dem Anschlusselement 22 eine erste Basisfläche 22a ausgebildet, von welcher die Feder 36a vorsteht. An der Stromschiene 28 ist zudem eine an die Nut 36b angrenzende zweite Basisfläche 28a ausgebildet, welche an der ersten Basisfläche 22a anliegt.
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Wie noch weiter sichtbar, umfasst die interne Verbindungsstelle 30 einen dritten gegenseitigen Anlagebereich 42. Zu diesem Zweck ist am Anschlusselement 22 eine erste Fügefläche 22b und an der Stromschiene 28 eine zweite Fügefläche 28b vorgesehen. Es ist erkennbar ist, dass die Fügeflächen 22b, 28b etwa in einem rechten Winkel, also unter 90° von den jeweiligen Basisflächen 22a, 28a verlaufen und dass die erste Fügefläche 22b und die zweite Fügefläche 28b gegenseitig aneinander anliegen. Das Anschlusselement 22 und die Stromschiene 28 sind miteinander nicht lösbar, insbesondere stoffschlüssig durch Löten oder Schweißen miteinander verbunden.
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Durch die erläuterte Ausgestaltung des Leistungsanschlusses 20 kann die gesamte gegenseitige Fügefläche zur Darstellung einer gewünschten Stromtragfähigkeit erhöht und zugleich eine prozesssichere automatisierte Montage ermöglicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Rotor
- 14
- Stator
- 15
- Statorwicklung
- 16
- Wicklungsende
- 16-1
- Wicklungsende
- 16-2
- Wicklungsende
- 16-3
- Wicklungsende
- 18
- Gehäuse
- 20
- Leistungsanschluss
- 22
- Anschlusselement
- 22-1
- Anschlusselement
- 22-2
- Anschlusselement
- 22-3
- Anschlusselement
- 22a
- Basisfläche
- 22b
- Fügefläche
- 24
- interner Anschlussabschnitt
- 26
- externer Anschlussabschnitt
- 28
- Stromschiene
- 28-1
- Stromschiene
- 28-2
- Stromschiene
- 28-3
- Stromschiene
- 28a
- Basisfläche
- 28b
- Fügefläche
- 28c
- Anschlussfortsatz
- 30
- interne Verbindungsstelle
- 32
- externe Verbindungsstelle
- 34
- externer Anschlussleiter
- 35
- Energiequelle
- 36
- Feder-Nut-Verbindung
- 36a
- Feder
- 361a
- Umfangswandbereich
- 36b
- Nut
- 361b
- Umfangswandbereich
- 38
- erster Anlagebereich
- 40
- zweiter Anlagebereich
- 42
- dritter Anlagebereich
- A
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011080250 A1 [0003]
