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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, die in einem, insbesondere elektrisch antreibbaren, Kraftfahrzeug verwendet werden kann, um im Motorbetrieb das Kraftfahrzeug und/oder Nebenaggregate anzutreiben und im Generatorbetrieb in einer Kraftfahrzeugbatterie speicherbare elektrische Energie erzeugen zu können.
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Aus
DE 10 2017 120 559 A1 ist eine Wickelmatte bekannt, die als Statorwicklung für einen Stator einer elektrischen Maschine verwendet werden kann, wobei mehrere Statorwicklungen in radialer Richtung hintereinander in einer Statornut eines Haltekörpers des Stators vorgesehen sein können. Die Statornut weist zwei parallel zueinander in radialer Richtung verlaufende Seitenwände auf.
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Aus
DE 10 2005 004 566 A1 ist es bekannt in den zwei parallel zueinander in radialer Richtung verlaufenden Seitenwänden aufeinander zu weisende V-förmige Aufnahmetaschen vorzusehen, in die ein symmetrisch ausgestalteter Nutverschlusskeil eingesetzt werden kann, um die in der Statornut eingesetzte Statorwicklung in der Statornut zurückhalten zu können.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis Statorwicklungen in einem Stator sicher zurückzuhalten.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein sicheres Zurückhalten von Statorwicklungen in einem Stator ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Stator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Stator für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einem radial verlaufende Statornuten ausbildenden Haltekörper, in der jeweiligen Statornut in radialer Richtung hintereinander eingesetzten mehreren Statorwicklungen und einem am radial inneren Ende der Statornut vorgesehenen Nutverschlusskeil, wobei die Statornut im Vergleich zu einem mit den Statorwicklungen gemeinsamen äußeren Radialbereich in einem inneren Radialbereich radial innerhalb zu den Statorwicklungen eine geringere Nutbreite zum radialen Anschlagen an dem Nutverschlusskeil aufweist.
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Der Stator kann insbesondere für eine elektrische Maschine mit Stabwellenwicklung verwendet werden. Bei der Stabwellenwicklung wird beispielsweise ein Rechteckdraht über ein Wickelschwert gebogen, um eine Wickelmatte als Statorwicklung zu erzeugen. Diese Wickelmatte wird auf einen Dorn aufgewickelt, damit sie im nächsten Schritt in die Statornut des Stators eingebracht werden kann. Hierbei kann die auf dem Dorn aufgewickelte Stabwellenwicklung über eine Relativbewegung in axialer Richtung des Rotors in die Statornut eingebracht werden. Eine Relativbewegung in radialer Richtung von radial innen nach radial außen ist hierbei nicht zwingend erforderlich. Da sich die Statorwicklung in der Statornut des Haltekörpers in einer Zwangslage befindet, besteht die Möglichkeit, dass sie sich nach dem Einbringen in die Statornut und Entfernen des Einbringwerkzeugs entspannt und radial innen aus der Statornut fallen könnte, was verhindert werden soll. Die bewegungsfeste Fixierung der Wickelmatte in den Statornuten findet jedoch erst in einem dem Einbringvorgang nachgelagerten Prozess statt. Bis zur Fixierung der Statorwicklungen in der Statornut kann der Nutverschlusskeil die Statorwicklungen in der Statornut zurückhalten, damit die Statorwicklungen auch bei allen Zwischenschritten nach dem Einbringen und vor dem Fixieren, beispielsweise beim Transport, nicht aus dem Stator herausfallen können. Insbesondere werden zunächst die Statorwicklungen in die jeweilige Statornut eingebracht, bevor der Nutverschlusskeil in diese Statornut eingesetzt wird.
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Die Statornut ist über die radiale Erstreckung nicht mit ausschließlich parallel zueinander verlaufenden Seitenwänden versehen, sondern weist zumindest am radial inneren Radialbereich eine Verjüngung der Nutbreite auf. Insbesondere ist die im inneren Radialbereich vorgesehene geringere Nutbreite kleiner als die Breite der Statorwicklungen in tangentialer Richtung. Selbst wenn eine Statorwicklung, beispielsweise schwerkraftbedingt und/oder durch angreifende Kräfte einer sich entspannenden benachbarten Statorwicklung, beim Einbringen zum radial inneren Ende der Statornut rutschen sollte, kann die Statorwicklung nicht ohne Weiteres den radial inneren Radialbereich mit der geringeren Nutbreite passieren. Selbst wenn der Nutverschlusskeil in der Statornut noch nicht eingesetzt ist, kann ein Herausfallen einer Statorwicklung zumindest soweit blockiert werden, bis der Nutverschlusskeil eine formschlüssige Sicherung der Statorwicklungen in der Statornut bereitstellt. Der Nutverschlusskeil kann insbesondere durch eine Relativbewegung in axialer Richtung in die Statornut eingesteckt werden. Vorzugsweise kann hierbei eine angeschrägte Spitze des Nutverschlusskeils eine zu weit radial innen positionierte Statorwicklung nach radial außen in die gewünschte Lage drücken. Dadurch können insbesondere sämtliche in radialer Richtung hintereinander angeordneten Statorwicklungen nach radial außen gedrückt und aneinander angedrückt werden, wodurch sich auch vor dem Fixieren bereits ein reibschlüssiges Festhalten der Statorwicklungen in der Statornut ergeben kann. Wenn die Statorwicklungen eine Federkraft nach radial innen auf den Nutverschlusskeil ausüben sollten, kann der Nutverschlusskeil in radialer Richtung gegen einen Übergangsbereich zwischen dem inneren Radialbereich mit der geringen Nutbreite und dem äußeren Radialbereich mit dem zur Aufnahme der Statorwicklungen dimensionierten äußeren Radialbereich gedrückt werden, wodurch sich sogar ein selbstverstärkender Verschluss der Statornut durch den Nutverschlusskeil ergibt. Vorzugsweise ist der Haltekörper des Stators aus einem Blechpaket zusammengesetzt, bei dem mehrere aus einer ebenen Platte ausgestanzte Bleche in der gewünschten axialen Erstreckung des Haltekörpers aufeinander gestapelt werden und miteinander verbunden, insbesondere vernietet, werden. Da die Statornuten durch Stanzen erzeugt werden, ist es problemlos möglich die Verjüngung der Nutbreite in dem radial inneren Radialbereich herzustellen. Durch die geringere Nutbreite in dem inneren Radialbereich können die Statorwicklungen bereits während des Einbringens in die Statornut und vor dem Einstecken des Nutverschlusskeils in der Statornut zurückgehalten werden, so dass, insbesondere im Wesentlichen ohne konstruktiven Zusatzaufwand, ein sicheres Zurückhalten von Statorwicklungen in einem Stator ermöglicht ist.
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Die Statornut ist insbesondere zu einer Radialrichtung spiegelsymmetrisch ausgestaltet. Der Haltekörper kann insbesondere mehrere in Umfangsrichtung hintereinander und zu einander beabstandete Statornuten aufweisen. Die Seitenwände der jeweiligen Statornut können in dem radial äußeren Radialbereich im Wesentlichen zueinander parallel verlaufen, so dass das Material des Haltekörpers zwischen zwei in Umfangsrichtung nachfolgenden Statornuten sich nach radial innen, insbesondere im Wesentlichen keilförmig, verjüngt. Radial außen können sämtliche Statornuten an einem in Umfangsrichtung geschlossenen Ringkörper des Haltekörpers enden. Der Stator kann insbesondere über den Ringkörper in einer elektrischen Maschine verbaut werden, wobei vorzugsweise der Ringkörper Befestigungselement und/oder Zentrierelemente ausbilden kann, um die Montage des Rotors zu vereinfachen. Der Nutverschlusskeil ist insbesondere vollständig innerhalb der Statornut versenkt angeordnet, so dass der Nutverschlusskeil auch bei einer nach radial innen wirkenden aufgeprägten Kraft nicht nach radial innen aus der Statornut herausragen kann. Ein ringförmiger Luftspalt zwischen dem Stator und einem relativ drehbaren Rotor der elektrischen Maschine wird nicht durch den Nutverschlusskeil beeinträchtigt.
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Insbesondere schließt sich an dem inneren Radialbereich eine zur Radialrichtung und zur Tangentialrichtung angeschrägte Keilfläche zum Verkeilen des Nutverschlusskeils an. Bei einer nach radial innen auf den Nutverschlusskeil einwirkenden Kraft wird der Nutverschlusskeil nicht nur angedrückt, sondern verkeilt, wodurch sich eine stark selbstverstärkende reibschlüssige Befestigung des Nutverschlusskeils in der Statornut ergeben kann. Zudem kann der Nutverschlusskeil in tangentialer Richtung an den angeschrägten Keilflächen zentriert werden, so dass zwischen dem Nutverschlusskeil und der Statornut eine größere Tolerenz zugelassen werden kann, wodurch die Herstellungskosten gering gehalten werden können.
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Vorzugsweise weist die Statornut in radialer Richtung zwischen dem äußeren Radialbereich und dem inneren Radialbereich eine tangential geöffnete Aufnahmetasche zur Aufnahme eines Fortsatzes des Nutverschlusskeils auf, wobei insbesondere eine Querschnittsfläche des Fortsatzes mit einer Querschnittsfläche der Aufnahmetasche korrespondiert. Durch den in die Aufnahmetasche hineinragenden Fortsatz kann die Kontaktfläche zwischen dem Nutverschlusskeil und der Statornut bei einem Andrücken durch Federkräfte der Statorwicklungen erhöht werden, wodurch die angreifenden Flächenpressungen gering gehalten werden können. Zudem kann der Nutverschlusskeil über die in die Aufnahmetaschen hineinragenden Fortsätze linear in axialer Richtung beim Einstecken geführt werden.
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Besonders bevorzugt geht die Aufnahmetasche, insbesondere gebogen und/oder angeschrägt, in den inneren Radialbereich über. Eine nach radial innen weisende Kontaktfläche des Nutverschlusskeils, welche den Nutverschlusskeil in der Statornut zurückhält und an dem die Statornut begrenzenden Material anschlagen kann, kann sich sowohl an den Rand der Statornutverjüngung als auch in die Aufnahmetasche hinein erstrecken. Dadurch können die angreifenden Flächenpressungen besonders gering gehalten werden.
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Insbesondere geht die Aufnahmetasche über einen scharfkantigen Absatz zum radialen Anschlagen an dem Nutverschlusskeil in den äußeren Radialbereich über. Dadurch kann das die Statornut begrenzenden Material einen Axialanschlag für den Nutverschlusskeil ausbilden. Ein versehentliches Verkeilen des Nutverschlusskeils an seinem radial äußeren Ende kann dadurch vermieden werden.
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Vorzugsweise weist der Nutverschlussteil einen durch den Fortsatz in Umfangsrichtung breiten ersten Teilkörper und einen sich in radialer Richtung an den ersten Teilkörper anschießenden in Umfangsrichtung schmalen zweiten Teilkörper auf, wobei der erste Teilkörper nur in die Aufnahmetasche der Statornut einsetzbar ist. Die breitere Ausgestaltung des ersten Teilkörpers kann insbesondere durch die in tangentialer Richtung abstehenden Fortsätze für die Aufnahmetaschen der Statornut erreicht sein. Der schmale zweite Teilkörper kann in den inneren Radialbereich eintauchen, wodurch der Nutverschlusskeil in axialer Richtung geführt sein kann. Zudem kann der in den inneren Radialbereich eingetauchte zweite Teilkörper ein Kippen des Nutverschlusskeils um eine in axialer Richtung verlaufende Kippachse vermeiden oder zumindest limitieren, so dass ein Feststecken des Nutverschlusskeils während des Einsteckens vermieden werden kann.
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Besonders bevorzugt sind die Querschnittsform des Fortsatzes und die Querschnittsform der Aufnahmetasche derart ausgeformt, dass der Nutverschlusskeil ausschließlich in genau einer Relativausrichtung in die Statornut einsetzbar ist. Dadurch kann vermieden werden, dass ein nach radial innen abstehender Teilkörper aus Versehen nach radial außen absteht und den Bauraum für die Statorwicklungen reduziert und/oder beim Einstecken des Nutverschlusskeils die Statorwicklungen beschädigt. Dadurch kann eine Poka Yoke sichere Montage des Nutverschlusskeils erreicht werden.
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Insbesondere ist der Nutverschlußkeil an mindestens einem axialen Ende zum Wegdrücken der Statorwicklungen nach radial außen angeschrägt ausgeführt. Eine nach radial innen gerutschte Statorwicklung kann dadurch beim Einsetzen des Nutverschlußkeils automatisch nach radial außen in die designierte Relativlage gedrückt werden. Insbesondere ragt eine nach radial außen weisende angeschrägte Kontaktfläche bis in den inneren Radialbereich hinein, so dass auch eine an dem inneren Radialbereich zurückgehaltene Statorwicklung von dem angeschrägten axialen Ende des Nutverschlußkeils erfasst und über die von der Kontaktfläche ausgebildeten schiefen Ebene nach radial außen gedrückt werden kann.
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Vorzugsweise sind die Statorwicklungen und der Nutverschlusskeil in der Statornut mit einem Haltematerial, insbesondere Harz, bewegungsfest vergossen. Durch eine Imprägnierung mit einem Harz können die Statorwicklungen zusammen mit dem Nutverschlusskeil bewegungsfest in dem Haltekörper des Stators fixiert sein. Eine Relativbewegung der Statorwicklungen durch elektromagnetische Einflüsse beim Betrieb des Stators kann dadurch sicher vermieden werden.
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Besonders bevorzugt ist der Nutverschlusskeil aus einem elektrisch nichtleitenden Material, insbesondere Kunststoff, hergestellt ist, wobei das Material insbesondere faserverstärkt und/oder bis 200°C hitzebeständig ist. Eine Beeinträchtigung der elektromagnetischen Eigenschaften der Statorwicklungen durch den Nutverschlusskeil ist dadurch vermieden. Durch die insbesondere durch Glasfasern erreichte Faserverstärkung kann vermieden werden, dass der Nutverschlusskeil aus der Statornut herausbricht. Zudem kann der Stator auch besonders hohe Leistungen übertragen, die zu einer entsprechend hohen Erwärmung des Trägerkörpers, der Statorwicklungen und des Nutverschlusskeils führen können, ohne dass dies zu einem Bauteilversagen führt.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische Draufsicht auf ein Detail eines Haltekörpers für einen Rotor einer elektrischen Maschine,
- 2: eine schematische Draufsicht auf ein Detail eines fertig montierten Rotors auf Basis des Haltekörpers aus 1,
- 3: eine schematische Draufsicht auf ein Detail eines in den Haltekörper aus 1 eingesetzten Nutverschlussrings,
- 4: eine schematische Draufsicht des Nutverschlussrings aus 3 unter Last und
- 5: eine Draufsicht auf ein Detail eines in den Haltekörper aus 1 eingesetzten alternativen Nutverschlussrings.
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Der in 1 dargestellte, insbesondere aus einem Blechpaket zusammengesetzte, Haltekörper 10 kann für einen in 2 teilweise dargestellten Rotor 12 einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug verwendet werden. Der Haltekörper 12 weist mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Statornuten 14 auf, die in einem radial äußeren Radialbereich 16 und einem radial inneren Radialbereich 18 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Seitenwände 20 aufweisen, wobei die Nutbreite im inneren Radialbereich 18 geringer als im äußeren Radialbereich 16 ist. In radialer Richtung zwischen dem äußeren Radialbereich 16 und dem inneren Radialbereich 18 ist eine Aufnahmetasche 22 ausgebildet.
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Wie in 2 dargestellt ist, können in dem äußeren Radialbereich 16 mehrere Statorwicklungen 24 angeordnet sein. Ein Herausfallen der Statorwicklungen 24 wird durch einen Nutverschlusskeil 26 blockiert, der am radial inneren Ende der Statornut 14 vorgesehen ist und hierbei in die Aufnahmetaschen 22 und vorzugsweise zusätzlich in den inneren Radialbereich 18 hineinragt.
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Wie in 3 dargestellt ist, weist der Nutverschlusskeil 26 in einem ersten Teilkörper 28 in tangentialer Richtung abstehende Fortsätze 30 auf, die jeweils in eine Aufnahmetasche 22 der Statornut 24 hineinragen. Ein radial innerhalb zu dem durch die Fortsätze 30 breiter ausgeführten ersten Teilkörper 28 weist der Nutverschlusskeil 26 einen in den inneren Radialbereich hinein abstehenden zweiten Teilkörper 32 auf. Zudem kann der Nutverschlusskeil 26, insbesondere im Bereich des ersten Teilkörpers 28 eine in axialer Richtung des Rotors 12 weisende angeschrägte Kontaktfläche 34 aufweisen, die vorzugsweise bis in den Bereich des ersten Teilkörpers 32 und/oder bis in den Radiusbereich des inneren Radialbereichs 18 hineinragen kann, so dass die Kontaktfläche 34 bei einem axialen Einstecken des Nutverschlusskeils 26 in die Statornut 14 eine nach radial innen gerutschte Statorwicklung 24 nach radial außen in die gewünschte Relativlage drücken kann.
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Falls, wie in 4 dargestellt ist, die Statorwicklungen 24 eine nach radial innen gerichtete Kraft 36 auf den Nutverschlusskeil 26 ausüben sollten, kann der Nutverschlusskeil 26 gegen angeschrägte Keilflächen 38 der Statornut 14 im Übergang zwischen der Aufnahmetasche 22 und dem inneren Radialbereich 18 gepresst und dadurch zentriert und verkeilt werden.
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Wie in 5 dargestellt ist, kann der Übergang zwischen der Aufnahmetasche 22 und dem inneren Radialbereich 16 durch einen scharfkantige Absatz 40 ausgebildet sein, der für den Nutverschlusskeil 26 einen Axialanschlag ausbildet, an dem der Nutverschlusskeil 26 nicht verkeilen kann. Zudem kann der zu der Aufnahmetasche 22 korrespondierend ausgebildete Fortsatz 30 dazu führen, dass der Nutverschlusskeil 26 nur in einer Relativlage in die Statornut 14 eingesteckt werden kann, in welcher der schmalere zweite Teilkörper 32 nach radial innen absteht, so dass eine versehentliche Montage des Nutverschlusskeils 26 in einer Relativlage, in welcher der schmalere zweite Teilkörper 32 nach radial außen absteht, nach dem Poka Yoke Prinzip sicher vermieden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Haltekörper
- 12
- Rotor
- 14
- Statornute
- 16
- äußerer Radialbereich
- 18
- innerer Radialbereich
- 20
- Seitenwand
- 22
- Aufnahmetasche
- 24
- Statorwicklung
- 26
- Nutverschlusskeil
- 28
- erster Teilkörper
- 30
- Fortsatz
- 32
- zweiter Teilkörper
- 34
- Kontaktfläche
- 36
- Kraft
- 38
- Keilfläche
- 40
- Absatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017120559 A1 [0002]
- DE 102005004566 A1 [0003]
