DE102020104508A1 - Winding and manufacturing process - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wicklung an einem Stator eines Elektromotors.Um ein effizienteres Herstellungsverfahren und auch eine verbesserte Hairpin-Wicklung zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass alle Hairpins (2) der herzustellenden Hairpin-Wicklung in einer Anordnung zum nachfolgenden Einbringen in Nuten (4) des Stators (3) fixiert werden, unddiese Anordnung von Hairpins (2) in einem Spritzgieß-Verfahren mit einer Isolierung aus einem Kunststoff (5) versehen wird, wobeidie einzelnen Hairpins (2) bis zu ihren freien Endbereichen mit Kontaktfüßen (7) hin über einen durch den Kunststoff (5) umschlossenen Wickelkopf (8, 12) einstückig zu einem kronenartigen Bauteil (1) verbunden werden. In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wickelkopf (8, 12) Bestandteil einer Kühlung des Wickelkopfes (8, 12).The present invention relates to a winding on a stator of an electric motor. In order to create a more efficient production method and also an improved hairpin winding, it is proposed that all hairpins (2) of the hairpin winding to be produced in an arrangement for subsequent introduction into slots (4 ) of the stator (3) are fixed, and this arrangement of hairpins (2) is provided with an insulation made of a plastic (5) in an injection molding process, the individual hairpins (2) with contact feet (7) up to their free end regions be connected in one piece to a crown-like component (1) via a winding head (8, 12) enclosed by the plastic (5). In a further development of the invention, the winding head (8, 12) is part of a cooling system for the winding head (8, 12).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wicklung an einem Stator eines Elektromotors und ein Herstellungsverfahren für eine derartige Wicklung.The present invention relates to a winding on a stator of an electric motor and a production method for such a winding.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei der Wicklung von Statoren für Elektromotoren ein möglichst hoher Kupfer-Füllfaktor in Nuten des Stators dadurch realisiert wird, dass sog. Haarnadel- bzw. Hairpin-Wicklungen an der Stelle herkömmlicher Wickeltechnologien unter Verwendung von Runddraht eingesetzt werden. Hairpin-Wicklungen werden unter Verwendung von Flachdraht statt Runddraht hergestellt und erreichen einen Füllfaktor von ca. 60 %. Herkömmliche Hairpin-Wicklungen bestehen dabei aus einem massiven Profildraht aus Kupfer mit rechteckigen Querschnittsprofil, die in Form einzelner Hairpins oder als entsprechend geordnetes Paket zahlreicher ausgerichteter Hairpins in die Nuten des Stators eingelegt wird.It is known from the prior art that when winding stators for electric motors, the highest possible copper fill factor is achieved in the slots of the stator by using so-called hairpin windings instead of conventional winding technologies using round wire will. Hairpin windings are made using flat wire instead of round wire and achieve a fill factor of approx. 60%. Conventional hairpin windings consist of a solid profile wire made of copper with a rectangular cross-sectional profile, which is inserted into the slots of the stator in the form of individual hairpins or as a correspondingly ordered package of numerous aligned hairpins.
Bei der Herstellung einer Hairpin-Wicklung ergeben sich aus einem sehr aufwändigen Isolationsprozess besondere Nachteile, die aus hohen Prozesszeiten, Fertigungs- und Maschinenaufwand sowie auch zusätzlichen Materialkosten herrühren: Erst muss eine Nutisolation gefaltet und in die jeweiligen Nuten eingeschossen werden. Daran schließt sich nach einem vorbestimmten Anordnen der Hairpins, einem Einschieben dieser Anordnung in die Nuten des Stators hinein, ein Einschieben von so genannten Deckschiebern zum Abschließen der Nuten, ein in Schaltposition Biegen der Hairpin-Enden und dem Verschalten der einzelnen Hairpins zu einer Wicklung gemäß eines Zonenplans ein sehr Zeit-intensiver Imprägnier-Prozess an mit den Teilschritten
- - Aufheizen des Stators;
- - Einbringen einer Imprägniermasse durch Tränken, Tauchen, Träufeln oder ähnliche Verfahren zum Einbringen einer Imprägniermasse zumindest im Bereich der Nuten des Stators;
- - Angelieren der Imprägniermasse und/oder Abtropfen überschüssiger Imprägniermasse und schließlich
- - Ausbacken der Imprägniermasse,
- - heating of the stator;
- - Introducing an impregnation compound by soaking, dipping, trickling or similar methods for introducing an impregnation compound at least in the area of the slots of the stator;
- - The impregnation compound gels and / or excess impregnation compound drips off, and finally
- - baking the impregnation compound,
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein effizienteres Herstellungsverfahren und auch eine verbesserte Hairpin-Wicklung zu schaffen.The present invention has the object of creating a more efficient manufacturing method and also an improved hairpin winding.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Demnach werden in einem erfindungsgemäßen Verfahren alle Hairpins einer jeweils herzustellenden Hairpin-Wicklung in einer Anordnung zum nachfolgenden Einbringen in Nuten des Stators fixiert und in dieser Anordnung in einem Spritzgieß-Verfahren mit einer Isolierung aus einem Kunststoff versehen, durch die die einzelnen Hairpins bis zu ihren freien Endbereichen mit Kontaktfüßen hin über einen durch den Kunststoff umschlossenen Wickelkopf einstückig miteinander zu einem kronenartigen Bauteil verbunden werden. Gegenüber einem vorstehend beschriebenen Imprägnierungsverfahren weist ein Spritzguss-Verfahren eine optimierte Prozessüberwachung auf und ist in der Herstellung zudem deutlich schneller als jede bekannte Imprägnierung der Hairpins, die nach dem Stand der Technik noch durch eine vorab separat zu fertigende Isolierung in den Nuten des Stators zu ergänzen ist.This object is achieved according to the invention by the features of
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung sieht als Lösung der vorstehend genannten Aufgabe daher vor, dass eine in einen Stator einsetzbare Hairpin-Wicklung eine Isolierung aufweist, die als einstückiges Spritzguss-Teil aus einem Kunststoff realisiert ist, wobei das Spritzguss-Teil alle Bereiche der Hairpins, die zum Einschieben in entsprechende Nuten des Stators angeordnet sind, bis auf deren Endbereiche mit Kontaktfüßen umschließt und die Hairpins im Bereich eines Wickelkopfes durch das Spritzguss-Teil zu einem Bauteil verbunden sind. Alle Bereiche der im Wesentlichen U-förmig geformten Hairpins sind bis auf Kontaktfüße ab deren Endbereiche isolierend von Kunststoff umschlossen und im Bereich eines Wickelkopfes zu einem Bauteil miteinander verbunden. Damit weisen die Hairpins selber durch den Kunststoff eine elektrisch isolierende Imprägnierung und auch die Nuten des Stators keine sonst i.d.R. durch Papierhülsen gebildete Isolierung mehr auf.A device according to the invention therefore provides, as a solution to the above-mentioned object, that a hairpin winding that can be inserted into a stator has an insulation that is implemented as a one-piece injection-molded part made of plastic, the injection-molded part all areas of the hairpins that are used for Insertion into corresponding grooves of the stator are arranged, up to the end areas of which are enclosed with contact feet and the hairpins are connected to a component in the area of a winding head by the injection-molded part. All areas of the essentially U-shaped hairpins are enclosed in an insulating manner by plastic, except for the contact feet from their end areas, and are connected to one another in the area of a winding head to form a component. This means that the hairpins themselves have an electrically insulating impregnation through the plastic, and the slots in the stator no longer have any insulation otherwise usually formed by paper sleeves.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach werden nach dem Einschieben der mit Kunststoff umspritzten Hairpins in die entsprechenden Nuten des Stators die Kontaktfüße der Hairpins zur Bildung einer Verschaltung als vorbestimmte Wicklung gebogen und verschweißt. Nachfolgend wird ein Bereich um die elektrisch verbundenen Kontaktfüße mit dem Stator in ein Spritzgieß-Werkzeug eingelegt und zur Ausbildung eines weiteren Wicklungs- bzw. Wickelkopfes mit einer Isolierung aus einem Kunststoff umspritzt.Advantageous further developments of the invention are the subject of the dependent claims. Accordingly, after the plastic-coated hairpins have been pushed into the corresponding grooves of the stator, the contact feet of the hairpins are bent and welded to form an interconnection as a predetermined winding. Subsequently, an area around the electrically connected contact feet with the stator is placed in an injection molding tool and encapsulated with a plastic insulation to form a further winding or winding head.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden in dem Schritt eines Spritzgieß-Verfahrens an einem mit Kunststoff umschlossenen Wickelkopf Nuten angeformt. Diese Nuten werden in einer Einbaulage des Wickelkopfs als Mittel zur Bildung einer Kühleinrichtung verwendet. Damit sind in einer Ausführungsform der Erfindung im Bereich des umspritzen Wickelkopfes miteinander verbundene Nuten als Kühlkanäle und radial geschlossene Nuten zur nachfolgenden Aufnahme von Dichtungen ausgebildet. So sind an einer Hairpin-Wicklung in der Spritzguss-Isolierung des jeweiligen Wickelkopfes Mittel für eine aktive Kühlung des elektrisch isolierend umspritzen Wickelkopfes während des normalen Betriebs zum Abführen elektrischer Verlustleistung vorgesehen, wie es am Stator selber bereits nach dem Stand der Technik realisiert ist. Dabei liegt eine wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Erfindung darin, dass die Wickelköpfe auch bei Hairpin-Wicklungen als thermische Hotspots in einem Elektro-Motor erkannt wurden. Eine zumindest für Hairpin-Wicklungen bislang genutzte Kühlung eines Wickelkopfes, die bislang nur auf Konvektion und/oder Wärmeabstrahlung beruhte, führt aufgrund der hier auftretenden elektrischen Verluste zu einer großen Spreizung zwischen Peak- und Dauerleistung des Elektromotors. Eine nun durch Kanäle auch im Bereich des Wickelkopfs vorgesehene aktive Kühlung verringert hingegen diese Spreizung zwischen Peak- und Dauerleistung und reduziert bei einer kompakten Bauweise zudem die Verluste im Wickelkopf. Damit stellte diese Ausführungsform der Erfindung lediglich eine Erweiterung eines i.d.R. bereits vorhandenen Kühlkreises dar, der nun über den Bereich der Nuten des Stators hinaus einen geringen zusätzlichen Aufwand bedeutet.In a particularly advantageous embodiment of the invention, in the step an injection molding process on a plastic-enclosed winding head grooves. In an installed position of the end winding, these grooves are used as a means for forming a cooling device. Thus, in one embodiment of the invention, in the area of the overmolded end winding, interconnected grooves are formed as cooling channels and radially closed grooves for the subsequent accommodation of seals. For example, on a hairpin winding in the injection-molded insulation of the respective winding head, means are provided for active cooling of the electrically insulating overmolded winding head during normal operation to dissipate electrical power loss, as is already implemented on the stator itself according to the prior art. An essential finding of the present invention is that the winding heads were recognized as thermal hotspots in an electric motor, even in hairpin windings. Cooling of a winding head, which has hitherto been used at least for hairpin windings and which has so far only been based on convection and / or heat radiation, leads to a large spread between the peak and continuous output of the electric motor due to the electrical losses that occur here. On the other hand, active cooling, which is now also provided in the area of the winding head through channels, reduces this spread between peak and continuous power and, with a compact design, also reduces the losses in the winding head. This embodiment of the invention thus only represents an extension of a cooling circuit that is usually already present, which now means little additional effort beyond the area of the slots in the stator.
In einer Weiterbildung eines Herstellungsverfahrens werden Hairpins, die in einer Anordnung zum Einbringen in den Stator fixiert sind, in einem Spritzgießwerkzeug zu einer sog. „Stator-Krone“ mit einem isolierenden Kunststoff so umspritzt, dass diese Stator-Krone als Gesamtbauteil in den Stator einschiebbar ist, wie dies nach dem Stand der Technik bislang nur mit einem entsprechend geordneten Paket Hairpins durchgeführt wird, das aus zahlreichen ausgerichteten, aber lose gehaltenen einzelnen Hairpins besteht. Vorteilhafterweise sind die Hairpins gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach dem isolierenden Umspritzen so vorbereite, dass jeder Zinken bzw. Fuß der Stator-Krone eine Rastnase zur selbsttätigen Fixierung und/oder ein Wellen- oder Tannenbaum-Profil zur Positionierung an dem Stator-Paket aufweist. Im Stator sind entsprechende Hinterschnitte in den metallischen Stator-Nuten für die aus dem Kunststoff der Umspritzung gebildeten Rastnase vorgesehen. Alternativ wird eine entsprechende Verrastung der aus den Nuten des Stators frei austretenden Zinken genutzt, so dass hier keine Modifikationen innerhalb der Nuten des Stators erforderlich sind. Dementsprechend sind an Kunststoff-Umspritzungen der Hairpins vorgesehene Verrastungen in einer Einbaulage zum Verrasten an dem umspritzten Wickelkopf gegenüberliegenden Enden der Nuten des Stators ausgebildet. Es schließen sich bei einer derartigen Anordnung nachfolgend bekannt Arbeitsschritte an, in denen die überstehenden, von jeder elektrischen Isolation freie Enden der HairPins durch gezielte Verdrillung in eine vorgegebene Position gebracht und an ihren Enden jeweils paarweise verschweißt werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Die beschriebenen Rastnasen an den Zinken wirken in diesen Schritten durch die selbsttätige Fixierung der noch nicht verschlossenen Stator-Krone jeder Verschiebung gegenüber dem Stator bzw. innerhalb der Nuten des Stators wirksam entgegen.In a further development of a manufacturing method, hairpins, which are fixed in an arrangement for introduction into the stator, are overmolded with an insulating plastic in an injection molding tool to form a so-called “stator crown” so that this stator crown can be pushed into the stator as an overall component is how this has so far only been carried out according to the state of the art with a correspondingly ordered package of hairpins, which consists of numerous aligned but loosely held individual hairpins. According to a further development of the invention, the hairpins are advantageously prepared after the insulating encapsulation so that each prong or foot of the stator crown has a locking lug for automatic fixation and / or a wave or Christmas tree profile for positioning on the stator package. In the stator, corresponding undercuts are provided in the metallic stator grooves for the locking lug formed from the plastic of the encapsulation. Alternatively, a corresponding latching of the prongs emerging freely from the grooves of the stator is used, so that no modifications within the grooves of the stator are required here. Accordingly, latches provided on plastic encapsulation of the hairpins are formed in an installation position for latching on opposite ends of the slots of the stator of the encapsulated end winding. In such an arrangement, the following work steps are known, in which the protruding ends of the HairPins, free of any electrical insulation, are brought into a predetermined position by targeted twisting and are welded in pairs at their ends, as known from the prior art. The described latching lugs on the prongs effectively counteract any displacement with respect to the stator or within the grooves of the stator in these steps by automatically fixing the not yet closed stator crown.
Vorteilhafterweise weist der Wickelkopf der Stator-Krone Kühlkanäle auf, die mit zwei begrenzenden O-Ring Nuten versehen sind. In den O-Ring-Nuten fixiert eingesetzte O-Ringe dichten den Wickelkopf im Einsatz bzw. in einer Einbaulage des Stators mit den Wickelköpfen zu einem Motorgehäuse hin ab.The end winding of the stator crown advantageously has cooling channels which are provided with two delimiting O-ring grooves. O-rings fixedly inserted in the O-ring grooves seal the end winding in use or in an installation position of the stator with the end windings from a motor housing.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen den 0-Ring-Dichtungen mindestens ein Kühlkanal vorgesehen, der zwischen den O-Ring-Dichtungen spiralförmig verlaufend bzw. als Wendel ausgebildet ist. Dieser Kühlkanal ist zum Abtransport der elektrischen Verluste in Form von Wärme in einer späteren Einbaulage des Stators an eine Motorkühlung angeschlossen.According to an advantageous further development, at least one cooling channel is provided between the O-ring seals, which channel runs in a spiral or is designed as a helix between the O-ring seals. This cooling duct is connected to a motor cooling system in order to remove the electrical losses in the form of heat in a later installation position of the stator.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein in der vorstehend beschriebenen Weise durch verrastendes Einschieben einer Stator-Krone vorbereiteter Stator mit verschalteten Kontaktfüßen abschließend in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und ein Bereich der verschalteten Kontaktfüße wird zur Ausbildung eines zweiten Wickelkopfes mit einem Kunststoff umspritzt, wobei auch der Stator selber dann mit einer elektrisch isolierenden Kunststoffschicht überzogen ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet diese Umspritzung auch unter Bildung von Nuten für Dichtungen sowie Aussparungen für Kühlkanäle statt, wie vorstehend zu der Bildung der „Stator-Krone“ beschrieben. Damit weist eine in einem Stator geschlossene Hairpin-Wicklung nun zwei Wickelköpfe auf, die jeweils über eine Kühlung zum Abführen elektrischer Verluste verfügen.According to a particularly advantageous further development of the invention, a stator with interconnected contact feet, which has been prepared in the manner described above by interlocking insertion of a stator crown, is finally inserted into an injection molding tool and a region of the interconnected contact feet is encapsulated with a plastic to form a second winding head, with the stator itself is then covered with an electrically insulating plastic layer. In a particularly preferred embodiment of the invention, this overmolding also takes place with the formation of grooves for seals and recesses for cooling channels, as described above for the formation of the “stator crown”. A hairpin winding closed in a stator thus now has two winding heads, each of which has a cooling system to dissipate electrical losses.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 : eine dreidimensionale Ansicht einer durch Umspritzen gebildeten Stator-Krone mit einer darin fixierten Anordnung aus einzelnen Hairpins; -
2 : eine dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform eines unter Verwendung einer Stator-Krone von1 fertiggestellten Stators; -
3 : ein Schnitt durch die Ausführungsform des fertiggestellten Stators von2 unter Andeutung eines inneren Aufbaus mit Verschaltung im Bereich der beiden Wickelköpfe und -
4a und4b : Ausschnittsvergrößerungen A und B von3 .
-
1 : a three-dimensional view of a stator crown formed by injection molding with an arrangement of individual hairpins fixed therein; -
2 FIG. 12 is a three-dimensional view of an embodiment of one using a stator crown of FIG1 completed stator; -
3 : a section through the embodiment of the completed stator of FIG2 indicating an internal structure with interconnection in the area of the two end windings and -
4a and4b : Enlarged sections A and B of3 .
Über die verschiedenen Abbildungen und Ausführungsbeispiele hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.The same reference symbols are always used for the same elements or method steps across the various figures and exemplary embodiments.
Die Stator-Krone
An die Fertigstellung der Wicklung im Stator
Die Abbildungen der
Im Gegensatz dazu sind in dem Ausführungsbeispiel von
Durch die vorstehend beschriebene Technologie ist es vorteilhafter Weise möglich, zahlreiche Zeit- und Material-aufwändige Schritte zur vorbereitenden Isolation von HairPins gegenüber den Nuten des Stators durch das Einsetzen einer Stator-Krone als halbfertigen Wicklung zu ersetzen. Neben einer elektrischen Isolierung werden zudem vorteilhafte neue Mittel zur Verbesserung einer Kühlung der Wickelköpfe als weiterer relevanter Teile der Wicklung des Stators im Einsatz bereitgestellt.With the technology described above, it is advantageously possible to replace numerous time-consuming and material-consuming steps for the preparatory isolation of hairpins from the slots of the stator by inserting a stator crown as a half-finished winding. In addition to electrical insulation, advantageous new means for improving cooling of the end windings are also provided as further relevant parts of the winding of the stator in use.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Stator-Krone / kronenartiges BauteilStator crown / crown-like component
- 22
- HairpinHairpin
- 33
- Stator eines ElektromotorsStator of an electric motor
- 44th
-
Nut des Stators
3 Slot of thestator 3 - 55
- Kunststoff als elektrische IsolierungPlastic as electrical insulation
- 66th
-
freier Endbereich der Hairpins
2 free end of thehairpins 2 - 77th
- KontaktfußContact foot
- 88th
-
umspritzter Wickelkopf, durch den Kunststoff
5 umschlossenovermolded winding head, through the plastic5 enclosed - 99
-
elektrischer Anschluss der Wicklung des Stators
3 electrical connection of the stator winding3 - 1010
-
Nut für Kühlkreis in der Umspritzung des Wickelkopfes
8 Groove for cooling circuit in the extrusion coating of the winding head8th - 1111
- Nut mit DichtungGroove with seal
- 1212th
- WickelkopfWinding head
- 1313th
- federelastische Rastnasespring-elastic locking lug
- 1414th
-
Ausnehmung im Bereich einer Nut
4 des Stators3 Recess in the area of a groove4th of thestator 3 - PP.
-
Einführrichtung beim Einschieben des kronenartiges Bauteils
1 in den Stator3 Direction of insertion when inserting the crown-like component 1 in thestator 3
Claims (10)
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WO2021165519A1 (en) | 2021-08-26 |
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