DE102020111704A1

DE102020111704A1 - Stator für eine elektrische Maschine und Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102020111704A1
Application number: DE102020111704.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Rossner; Florian BACHHEIBL
Original assignee: Molabo GmbH
Current assignee: Molabo GmbH
Priority date: 2020-04-29
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2021-11-04
Also published as: CN115485955A; WO2021219489A1; US20230188014A1; EP4143952A1

Abstract

Es wird ein Stator (20) für eine elektrische Maschine (21) angegeben. Der Stator (20) umfasst einen Statorkern (22), mindestens zwei Nuten (23), welche im Statorkern (22) angeordnet sind, eine elektrische Wicklung (24), welche mindestens zwei formstabile elektrische Leiter (25) umfasst, und mindestens ein Verschaltelement (26) an mindestens einer Seite des Statorkerns (22), wobei in den Nuten (23) jeweils mindestens einer der Leiter (25) angeordnet ist, das Verschaltelement (26) mit mindestens einem der Leiter (25) elektrisch verbunden ist, das Verschaltelement (26) über mindestens einen der Leiter (25) mechanisch mit dem Statorkern (22) verbunden ist, die Leiter (25) jeweils mechanisch in den Nuten (23) fixiert sind, und die mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement (26) und dem Statorkern (22) über mindestens einen der Leiter (25) selbsttragend ist. Außerdem werden eine elektrische Maschine (21) und ein Verfahren zur Herstellung eines Stators (20) für eine elektrische Maschine (21) angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine.
Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch betrieben werden. Der Stator kann eine elektrische Wicklung in Nuten umfassen, welche durch elektrische Leiter gebildet ist. Die elektrische Wicklung wird an eine Stromversorgungseinheit angeschlossen, welche mehrphasig sein kann.
Zur Bildung der elektrischen Wicklung oder zum Anschluss der elektrischen Leiter können ein oder mehrere Verschaltelemente an einer Seite des Stators angebracht sein. Die Verschaltelemente kontaktieren die elektrischen Leiter. Daher ist es nötig, die Verschaltelemente zueinander elektrisch zu isolieren. Zum Anbringen der Verschaltelemente an den Stator sind häufig eine große Anzahl von Montageschritten und Verbindungsprozessen nötig. Außerdem werden oft Trägersysteme zur Befestigung der Verschaltelemente verwendet. Diese Herstellungsweise und die nötigen Komponenten erhöhen die Komplexität der elektrischen Maschine.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Stator für eine elektrische Maschine anzugeben, welcher effizient hergestellt werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein effizientes Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine anzugeben.
Die Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators für eine elektrische Maschine umfasst der Stator einen Statorkern. Der Statorkern kann sich entlang einer Längsachse erstrecken. Der Statorkern kann eine Vielzahl von Statorblechpaketen aufweisen. Die Statorblechpakete können übereinander angeordnet sein. Insgesamt kann der Statorkern die Form eines Zylinders aufweisen. Die Längsachse des Statorkerns verläuft parallel zur Längsachse des Zylinders. Der Statorkern kann ein magnetisches Material aufweisen.
Der Stator umfasst weiter mindestens zwei Nuten, welche im Statorkern angeordnet sind. Die Nuten können in den Statorkern eingebracht sein. Die Nuten können sich durch den Statorkern erstrecken. Insbesondere können die Nuten sich vollständig durch den Statorkern erstrecken. Das bedeutet, die Nuten können sich von einer ersten Seite des Statorkerns zu einer zweiten Seite des Statorkerns erstrecken. Bei der ersten und der zweiten Seite handelt es sich jeweils um die Grundfläche und die Deckfläche des Zylinders. Die Nuten können deshalb jeweils eine geradlinige Form aufweisen. Bei den Nuten handelt es sich um Ausnehmungen im Statorkern. Insgesamt kann der Stator eine Vielzahl von Nuten im Statorkern aufweisen.
Der Stator umfasst weiter eine elektrische Wicklung, welche mindestens zwei formstabile elektrische Leiter umfasst. Die elektrischen Leiter weisen ein elektrisch leitfähiges Material auf. Dass die Leiter formstabil sind, kann bedeuten, dass die Leiter eine starre Form aufweisen. Die Leiter sind insbesondere nicht flexibel. Die Leiter können eigensteif sein. Weiter können die Leiter mechanisch stabil sein. Zum Beispiel handelt es sich bei den Leitern jeweils um einen Stab. Somit weisen die Leiter jeweils eine stabförmige Form auf. Zum Beispiel ist das Querschnittsprofil der Leiter trapezförmig. Das bedeutet, dass die Leiter in einem Querschnitt durch den Stator jeweils trapezförmig sind, wobei der Querschnitt in einer Ebene gegeben ist, welche senkrecht zur Längsachse des Statorkerns verläuft. Die Formstabilität der Leiter kann durch ausreichende Materialstärke, die Materialwahl oder durch eine festigkeitsoptimierte Formgebung erreicht werden.
Der Stator umfasst weiter mindestens ein Verschaltelement an mindestens einer Seite des Statorkerns. Der Stator kann mindestens ein Verschaltelement an einer Seite des Statorkerns aufweisen. Das Verschaltelement kann ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Beispielsweise weist das Verschaltelement Kupfer und/oder Aluminium auf. Das Verschaltelement kann an der Grundfläche oder der Deckfläche des Statorkerns angeordnet sein. Das Verschaltelement kann die Form eines Ringsegments aufweisen. Weiter ist es möglich, dass das Verschaltelement die Form eines Rings aufweist. Das Verschaltelement kann beabstandet zum Statorkern angeordnet sein. Die elektrische Wicklung weist mindestens zwei der Leiter und mindestens ein Verschaltelement auf. Der Stator kann mehrere elektrische Wicklungen aufweisen.
In den Nuten ist jeweils mindestens einer der Leiter angeordnet. Das bedeutet, in jeder Nut ist jeweils mindestens einer der Leiter angeordnet. Es ist möglich, dass in jeder Nut jeweils genau ein Leiter angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass mindestens zwei Leiter in jeder Nut angeordnet sind. Beispielsweise füllen die Leiter die Nuten jeweils nicht vollständig aus. Die Leiter können eine größere Erstreckung entlang der Längsachse des Statorkerns aufweisen als die Nuten. Die Leiter können elektrisch vom Statorkern isoliert sein. Dazu kann in den Nuten jeweils ein Isolationsmaterial angeordnet sein. Dabei ist das Isolationsmaterial zwischen den Leitern und dem Statorkern angeordnet.
Das Verschaltelement ist mit mindestens einem der Leiter elektrisch verbunden. Dazu kann das Verschaltelement mit mindestens einem der Leiter in direktem Kontakt sein. Weiter ist es möglich, dass das Verschaltelement mit mindestens zwei der Leiter elektrisch verbunden ist.
Das Verschaltelement ist über mindestens einen der Leiter mechanisch mit dem Statorkern verbunden. Das bedeutet, das Verschaltelement ist mit mindestens einem der Leiter mechanisch verbunden. Die Leiter sind jeweils mechanisch mit dem Statorkern verbunden. Dies ermöglicht die mechanische Verbindung des Verschaltelements mit dem Statorkern über den Leiter. Das Verschaltelement kann über den mindestens einen Leiter, mit welchem es elektrisch verbunden ist, mechanisch mit dem Statorkern verbunden sein.
Die Leiter sind jeweils mechanisch in den Nuten fixiert. Das bedeutet, dass die Leiter jeweils mechanisch mit dem Statorkern verbunden sind. Dass die Leiter mechanisch in den Nuten fixiert sind, kann bedeuten, dass die Leiter unbeweglich in den Nuten angeordnet sind. Die Leiter sind somit fest in den Nuten positioniert. Dadurch sind die Leiter mechanisch mit dem Statorkern verbunden. Die Fixierung der Leiter in den Nuten kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Leiter in die Nuten gepresst sind. Es ist weiter möglich, dass die Leiter mit einem Fixierungsmaterial in den Nuten fixiert sind. Dazu wird das Fixierungsmaterial zusätzlich zu den Leitern in die Nuten eingebracht. Beispielsweise handelt es sich bei dem Fixierungsmaterial um einen Verguss. Bei dem Fixierungsmaterial kann es sich um ein Isolationssystem oder einen Teil eines Isolationssystems handeln. Durch das Fixierungsmaterial werden die Leiter mechanisch in den Nuten fixiert.
Die mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern über mindestens einen der Leiter ist selbsttragend. Das bedeutet, über mindestens einen der Leiter besteht eine mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern und diese mechanische Verbindung ist selbsttragend. Dass die mechanische Verbindung selbsttragend ist, kann bedeuten, dass keine weitere mechanische Verbindung für eine stabile Verbindung des Verschaltelements mit dem Statorkern benötigt wird. Somit ist das Verschaltelement hauptsächlich über mindestens einen der Leiter mit dem Statorkern mechanisch verbunden. Bei der mechanischen Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern über mindestens einen der Leiter handelt es sich um eine tragende mechanische Verbindung. Deshalb kann der Stator frei von weiteren Verbindungselementen zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern sein. Bei der mechanischen Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern über mindestens einen der Leiter kann es sich um die einzige mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern handeln. Das Verschaltelement kann ausschließlich über mindestens einen der Leiter mechanisch mit dem Statorkern verbunden sein.
Die selbsttragende mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern über mindestens einen der Leiter ermöglicht einen Aufbau des Stators mit einer verringerten Komplexität. Das Verschaltelement kann hauptsächlich oder ausschließlich über mindestens einen der elektrischen Leiter mechanisch mit dem Statorkern verbunden sein. Daher werden keine weiteren Trägerelemente zur Befestigung des Verschaltelements am Statorkern benötigt. Es werden auch keine Montageelemente, keine Ausrichtungselemente für die Montage des Verschaltelements und kein Verbund aus mehreren zueinander isolierten Verschaltelementen benötigt. Weiter sind zur Befestigung des Verschaltelements am Statorkern keine Biege-, oder separate mechanische Verbindungs- oder Montageprozesse erforderlich. Das bedeutet, es werden keine zusätzlichen Prozesse zur Befestigung des Verschaltelements am Statorkern nach der elektrischen Verbindung des Verschaltelements mit den Leitern benötigt. Dies verringert die Komplexität des Aufbaus des Stators. Die Verbindung des Verschaltelements mit dem Statorkern über mindestens einen der Leiter ist ausreichend für eine stabile Befestigung des Verschaltelements am Statorkern.
Ein Aufbau mit einer verringerten Komplexität des Stators ist vorteilhaft bei der Herstellung des Stators. Es werden somit weniger Verbindungsprozesse und Montageschritte benötigt. Der Stator kann daher effizient hergestellt werden. Außerdem ist ein Aufbau mit einer verringerten Komplexität des Stators im Betrieb und bei der Wartung der elektrischen Maschine vorteilhaft. Des Weiteren kann die Lebensdauer des Stators erhöht sein, da insgesamt weniger Komponenten vorhanden sind, die ausfallen können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators, ist das Verschaltelement mit mindestens einem der Leiter formschlüssig mechanisch verbunden. Das kann bedeuten, dass das Verschaltelement und der jeweilige Leiter jeweils stellenweise eine aneinander angepasste Form aufweisen. Im Bereich der mechanischen Verbindung können das Verschaltelement und der Leiter formschlüssig aneinander anliegen. Beispielsweise können das Verschaltelement und der mindestens eine Leiter im Bereich der mechanischen Verbindung lückenlos aneinander angrenzen. Im Bereich der formschlüssigen Verbindung können das Verschaltelement und der mindestens eine Leiter in direktem Kontakt sein. Die formschlüssige Verbindung ermöglicht eine mechanische Verbindung mit einer hohen Stabilität. Dies ermöglicht vorteilhafterweise, dass das Verschaltelement über den mindestens einen Leiter mit dem Statorkern mechanisch selbsttragend verbunden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators, weist das Verschaltelement mindestens eine Ausnehmung auf. Die Ausnehmung kann an mindestens einer Seite geöffnet sein. Es ist weiter möglich, dass das Verschaltelement mindestens zwei Ausnehmungen aufweist. In einem Querschnitt durch den Stator kann die Ausnehmung eine größere Fläche aufweisen als einer der Leiter, wobei der Querschnitt in einer Ebene gegeben ist, welche senkrecht zur Längsachse des Statorkerns verläuft. Die Ausnehmung kann eine an einen der Leiter angepasste Form aufweisen. Somit kann mit der Ausnehmung die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Leiter erhöht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators, ist das Verschaltelement im Bereich der Ausnehmung mechanisch und elektrisch mit einem der Leiter verbunden. Dazu kann der jeweilige Leiter zumindest stellenweise in der Ausnehmung angeordnet sein. In der Ausnehmung können das Verschaltelement und der jeweilige Leiter formschlüssig miteinander verbunden sein. Im Bereich der Ausnehmung ist das Verschaltelement mit einem der Leiter elektrisch leitfähig verbunden. Weiter ist die mechanische Verbindung im Bereich der Ausnehmung zwischen dem Verschaltelement und dem Leiter selbsttragend. Das bedeutet, dass das Verschaltelement über die mechanische Verbindung im Bereich der Ausnehmung über den Leiter mechanisch mit dem Statorkern verbunden ist. Die mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Leiter im Bereich der Ausnehmung kann durch Kaltverschweißen, Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Metall-Inertgasschweißen, Metall-Aktivgasschweißen, Rühr-Reibschweißen, Löten oder über Druck- oder Federkontakte hergestellt werden. Da das Verschaltelement über den Leiter mit dem Statorkern mechanisch verbunden ist, ist die Komplexität des Aufbaus des Stators vorteilhafterweise reduziert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators, erstreckt sich durch die Ausnehmung einer der Leiter. Der Leiter kann sich vollständig durch die Ausnehmung erstrecken. Die Ausnehmung kann sich vollständig durch das Verschaltelement erstrecken. Dadurch dass sich der Leiter durch die Ausnehmung erstreckt, kann das Verschaltelement mechanisch stabil mit dem Leiter verbunden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators, weist die Ausnehmung eine Form zur Positionierung eines Leiters in der Ausnehmung auf. Das bedeutet, dass die Ausnehmung eine Form aufweist, welche die Positionierung eines Leiters in der Ausnehmung vereinfacht. Beispielsweise weist die Ausnehmung geschrägte Seitenflächen auf. Diese können zur Positionierung eines Leiters in der Ausnehmung dienen. Die Ausnehmung kann eine an den Leiter angepasste Form aufweisen. Beispielsweise weist die Ausnehmung eine Form zur Führung oder zur Fügung eines Leiters in die Ausnehmung auf. Auf diese Art und Weise wird das Positionieren eines Leiters in der Ausnehmung vereinfacht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators, weist der Stator ein Isolationssystem auf, welches zumindest in Zwischenräumen zwischen dem Statorkern und den Leitern und/oder zwischen dem Statorkern und dem Verschaltelement angeordnet ist. Das Isolationssystem weist ein elektrisch isolierendes Material auf. Das Isolationssystem kann die Leiter elektrisch vom Statorkern isolieren. Somit kann das Isolationssystem zumindest stellenweise in den Nuten angeordnet sein. Des Weiteren kann das Isolationssystem das Verschaltelement elektrisch vom Statorkern isolieren. Das Isolationssystem kann einen Verguss aufweisen. Das Isolationssystem kann gegossen oder spritzgegossen sein. Das Isolationssystem kann einstückig sein. Das bedeutet, das Isolationssystem besteht nicht aus mehreren Teilen sondern nur aus einem Teil. Weiter kann das Isolationssystem in mechanischem Kontakt mit dem Statorkern und dem Verschaltelement sein. Somit kann auch das Isolationssystem zu einer mechanischen Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern beitragen. Jedoch ist die mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern über mindestens einen der Leiter bereits selbsttragend. Somit wird für eine mechanische Befestigung des Verschaltelements am Statorkern das Isolationssystem nicht benötigt. Da das Isolationssystem jedoch zur mechanischen Verbindung beitragen kann, ist es möglich, dass das Verschaltelement ausschließlich über mindestens einen der Leiter und das Isolationssystem mechanisch mit dem Statorkern verbunden ist. Das Isolationssystem ermöglicht eine effiziente elektrische Isolierung sowohl des Statorkerns von den Leitern als auch des Statorkerns vom Verschaltelement. Außerdem kann das Isolationssystem in Kontakt mit einem Kühlsystem sein. Somit können auch andere Bestandteile des Stators über das Isolationssystem gekühlt werden. Zur Kühlung des Verschaltelements ist es außerdem möglich, dass dieses über ein thermisch leitfähiges Material mit einem Kühlsystem verbunden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators, weist der Stator mindestens ein weiteres Verschaltelement auf. Das weitere Verschaltelement kann den gleichen Aufbau aufweisen wie das Verschaltelement. Außerdem kann das weitere Verschaltelement die gleichen Merkmale aufweisen wie das Verschaltelement. Das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement können an der gleichen Seite des Statorkerns angeordnet sein. Dabei können das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement entlang der Längsachse des Statorkerns übereinander angeordnet sein. Weiter ist es möglich, dass das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement in einem Querschnitt durch den Stator nebeneinander angeordnet sind. Das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement können über ein Isolationsharz, einen Verbundwerkstoff, verklebte Isolationen, eine Vergussmasse oder einen Kunststoffspritzguss miteinander verbunden sein. Insgesamt kann der Stator eine Vielzahl von Verschaltelementen und/oder eine Vielzahl von weiteren Verschaltelementen aufweisen. Eine Vielzahl von Verschaltelementen und/oder von weiteren Verschaltelementen ermöglicht eine separate elektrische Ansteuerung der Leiter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators, sind das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement elektrisch voneinander isoliert. Dafür kann mindestens eins der folgenden Materialien zwischen dem Verschaltelement und dem weiteren Verschaltelement angeordnet sein: ein Isolationsharz, ein Verbundwerkstoff, eine verklebte Isolation, eine Vergussmasse, ein Kunststoffspritzguss, ein isolierender Werkstoff, ein Isolationspapier, eine Beschichtung. Weiter ist es möglich, dass das Verschaltelement und/oder das weitere Verschaltelement eine Oberflächenbehandlung aufweisen. Im Bereich der Oberflächenbehandlung kann das Verschaltelement und/oder das weitere Verschaltelement elektrisch isolierend sein. Bei der Oberflächenbehandlung kann es sich um eine Oberflächenmodifikation wie beispielsweise eine Oxidation handeln. Es ist weiter möglich, dass das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement durch einen um diese gewickelten Isolator miteinander verbunden sind. Es ist auch möglich, dass das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement über eine Matrix aus einem isolierenden Werkstoff oder Kunststoff miteinander verbunden sind. Es ist nötig das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement voneinander elektrisch zu isolieren, um eine separate Ansteuerung der Leiter zu ermöglichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Stators, weisen das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement stellenweise eine ineinandergreifende Form auf. Das kann bedeuten, dass das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement stellenweise einen Formschluss miteinander eingehen. Die ineinandergreifende Form erhöht die Stabilität der Verbindung des Verschaltelements mit dem weiteren Verschaltelement oder der Befestigung des Verschaltelements und des weiteren Verschaltelements am Statorkern.
Des Weiteren wird eine elektrische Maschine angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, weist die elektrische Maschine einen hier beschriebenen Stator auf. Somit sind alle Merkmale des beschriebenen Stators auch für den Stator der elektrischen Maschine offenbart und umgekehrt. Die elektrische Maschine weist weiter einen relativ zum Stator beweglichen Rotor auf. Bei dem Rotor kann es sich um einen Innenläufer oder einen Außenläufer handeln. Zwischen dem Stator und dem Rotor kann ein Luftspalt angeordnet sein. Da die mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern über mindestens einen der Leiter selbsttragend ist, ist auch die Komplexität des Aufbaus der elektrischen Maschine reduziert. Dies ermöglicht, dass die elektrische Maschine effizient hergestellt werden kann.
Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine angegeben. Der Stator ist bevorzugt mit einem hier beschriebenen Verfahren herstellbar. Mit anderen Worten, sämtliche für den Stator offenbarte Merkmale sind auch für das Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt, bei dem ein Statorkern des Stators mit mindestens zwei Nuten bereit gestellt wird. Die Nuten werden in den Statorkern eingebracht. Anschließend können die Nuten elektrisch isoliert werden. Das kann bedeuten, dass die Nuten mit einem elektrisch isolierenden Material ausgekleidet werden.
Weiter werden mindestens zwei formstabile elektrische Leiter in die Nuten eingebracht, wobei in den Nuten jeweils mindestens einer der Leiter angeordnet ist. Die Leiter werden mechanisch in den jeweiligen Nuten fixiert. Die Fixierung der Leiter in den Nuten kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Leiter in die Nuten gepresst werden. Es ist weiter möglich, dass die Leiter mit einem Fixierungsmaterial, beispielsweise einem Verguss, in den Nuten fixiert werden. Dazu werden zunächst die Leiter in die Nuten eingebracht. Anschließend werden verbleibende Hohlräume in den Nuten mit dem Verguss aufgefüllt. Durch ein Aushärten des Verguss werden die Leiter mechanisch in den Nuten fixiert. Das Einbringen und Fixieren der Leiter in den Nuten kann in einem Schritt oder in separaten Schritten erfolgen.
Weiter wird mindestens ein Verschaltelement an mindestens einer Seite des Statorkerns angebracht. Das bedeutet, dass das Verschaltelement mechanisch mit dem Statorkern verbunden wird.
Die Schritte des Verfahrens können in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden, welche von der hier genannten Reihenfolge abweichen kann.
Eine elektrische Wicklung des Stators umfasst die Leiter und das Verschaltelement. Das kann bedeuten, dass eine elektrische Wicklung des Stators mindestens zwei der Leiter und mindestens ein Verschaltelement aufweist. Der Stator kann mehrere elektrische Wicklungen aufweisen. Das Verschaltelement ist mit mindestens einem der Leiter elektrisch verbunden. Das Verschaltelement ist über mindestens einen der Leiter mechanisch mit dem Statorkern verbunden. Die Leiter sind jeweils mechanisch in den Nuten fixiert. Die mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern über mindestens einen der Leiter ist selbsttragend.
Die selbsttragende mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Statorkern über mindestens einen der Leiter ermöglicht eine effiziente Herstellung des Stators. Da zur Befestigung des Verschaltelements am Statorkern keine Biege-, Verbindungs- oder Montageprozesse erforderlich sind, ist das Herstellungsverfahren weniger komplex. Auch werden keine weiteren Trägerelemente, Montageelemente oder Ausrichtungselemente benötigt. Aufgrund dieser Vereinfachung des Herstellungsverfahrens kann der Stator effizient hergestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Stator mindestens ein weiteres Verschaltelement auf, und das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement werden vor dem Anbringen am Statorkern miteinander mechanisch verbunden und voneinander elektrisch isoliert. Auch für den Fall, dass der Stator mehr als ein Verschaltelement und mehr als ein weiteres Verschaltelement aufweist, werden die Verschaltelemente und die weiteren Verschaltelemente vor dem Anbringen am Statorkern miteinander mechanisch verbunden und voneinander elektrisch isoliert. Dies erleichtert das Anbringen am Statorkern, da statt einer Vielzahl von Elementen nur ein Verbund der Verschaltelemente und weiteren Verschaltelemente angebracht werden muss. Es ist weiter möglich, dass die Verschaltelemente und die weiteren Verschaltelemente vor dem Anbringen am Statorkern zu mehreren Teilverbunden miteinander verbunden werden. Das Verschaltelement und das weitere Verschaltelement können durch Kunststoffheißverstemmen oder Kunststoffnieten miteinander verbunden werden. Zwischen dem Verschaltelement und dem weiteren Verschaltelement kann ein elektrisch isolierendes Material angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Verschaltelement durch Kaltverschweißen, Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Metall-Inertgasschweißen, Metall-Aktivgasschweißen, Rühr-Reibschweißen, Löten oder über Druck- oder Federkontakte mit mindestens einem der Leiter elektrisch verbunden. Weiter ist es möglich, dass das Verschaltelement mit mindestens einem der Leiter durch Pressen oder Aufpressen (Pressfit) verbunden wird. Diese Verfahren ermöglichen eine stabile mechanische Verbindung sowie eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Verschaltelement und dem Leiter.
Im Folgenden werden der hier beschriebene Stator, die elektrische Maschine und das Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Die 1, 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele des Stators.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine.
Mit 5 wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine beschrieben.
Mit den 6 und 7 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stators beschrieben.
In den 8 und 9 sind Schnittdarstellungen durch weitere Ausführungsbeispiele des Stators gezeigt.
Die 10 und 11 zeigen Ausschnitte weiterer Ausführungsbeispiele des Stators.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stators 20 für eine elektrische Maschine 21 gezeigt. Bei der Ansicht in 1 handelt es sich um eine schräge Seitenansicht, in welcher nicht der gesamte Stator 20 dargestellt ist. Der Stator 20 umfasst einen Statorkern 22, welcher die Form eines Zylinders aufweist. Im Statorkern 22 ist eine Vielzahl von Nuten 23 angeordnet. Die Nuten 23 erstrecken sich vollständig durch den Statorkern 22. Außerdem sind die Nuten 23 entlang eines Umfangs des Statorkerns 22 nebeneinander angeordnet. Die Nuten 23 weisen jeweils gleiche Abstände zueinander auf. Somit sind die Nuten 23 gleichmäßig entlang des Umfangs des Statorkerns 22 verteilt.
In den Nuten 23 ist jeweils ein formstabiler elektrischer Leiter 25 angeordnet. Die Nuten 23 sind zur Mitte des Statorkerns 22 hin geöffnet. Die Leiter 25 füllen die Nuten 23 jeweils nicht vollständig aus. Angrenzend an die Öffnungen weisen die Nuten 23 jeweils einen Bereich auf, welcher frei von den Leitern 25 ist. Bei den Leitern 25 handelt es sich jeweils um einen Stab. Entlang einer Längsachse des Statorkerns 22 erstrecken sich die Leiter 25 aus dem Statorkern 22 heraus. Somit ragen die Leiter 25 an einer Seite aus dem Statorkern 22 heraus. Die Leiter 25 ragen alle um die gleiche Länge aus dem Statorkern 22 heraus.
Der Stator 20 weist weiter eine Vielzahl von Verschaltelementen 26 auf. Der Stator 20 kann eine Vielzahl von Verschaltelementen 26 und mindestens ein weiteres Verschaltelement 29 aufweisen. Die Verschaltelemente 26 und das weitere Verschaltelement 29 können den gleichen Aufbau und die gleichen Merkmale aufweisen. Die Verschaltelemente 26 sind an mindestens einer Seite des Statorkerns 22 angeordnet. Außerdem weist der Stator 20 eine Vielzahl von elektrischen Wicklungen 24 auf. Jede elektrische Wicklung 24 des Stators 20 weist mindestens zwei der Leiter 25 und mindestens ein Verschaltelement 26 oder mindestens ein weiteres Verschaltelement 29 auf.
Die Verschaltelemente 26 weisen jeweils die Form eines Ringsegments auf. Die Verschaltelemente 26 sind entlang des Umfangs des Statorkerns 22 verteilt angeordnet. Außerdem sind einige der Verschaltelemente 26 entlang der Längsachse des Statorkerns 22 übereinander angeordnet. Die Verschaltelemente 26 weisen ein elektrisch leitfähiges Material auf.
Jedes der Verschaltelemente 26 ist mit mindestens einem der Leiter 25 elektrisch verbunden. In diesem Fall ist jedes der Verschaltelemente 26 mit zwei Leitern 25 elektrisch verbunden. Das bedeutet, jeweils zwei der Leiter 25 sind über jeweils ein Verschaltelement 26 elektrisch miteinander verbunden. Dazu weist jedes Verschaltelement 26 zwei Ausnehmungen 27 auf. Im Bereich der Ausnehmungen 27 ist jedes der Verschaltelemente 26 mechanisch und elektrisch mit jeweils einem der Leiter 25 verbunden. Dazu erstreckt sich durch jede der Ausnehmungen 27 einer der Leiter 25. Das bedeutet, in jeder der Ausnehmungen 27 ist einer der Leiter 25 angeordnet. Im Bereich der Ausnehmungen 27 sind die Verschaltelemente 26 jeweils mit einem der Leiter 25 formschlüssig mechanisch verbunden. Die Verschaltelemente 26 und die Leiter 25 können im Bereich der Ausnehmungen 27 jeweils über verschiedene Prozesse elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden. Beispielsweise wird die Verbindung zwischen einem Verschaltelement 26 und einem Leiter 25 durch Kaltverschweißen, Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Metall-Inertgasschweißen, Metall-Aktivgasschweißen, Rühr-Reibschweißen, Löten oder über Druck- oder Federkontakte erreicht.
Über jeweils mindestens einen der Leiter 25 ist jedes der Verschaltelemente 26 mechanisch mit dem Statorkern 22 verbunden. Außerdem sind die Leiter 25 jeweils mechanisch in den Nuten 23 fixiert. Dies ermöglicht, dass die mechanische Verbindung zwischen dem jeweiligen Verschaltelement 26 und dem Statorkern 22 über mindestens einen der Leiter 25 selbsttragend ist. Diese mechanische Verbindung ist somit so stabil, dass keine weitere mechanische Verbindung benötigt wird.
Des Weiteren sind die Verschaltelemente 26 voneinander elektrisch isoliert. Das bedeutet, jedes der Verschaltelemente 26 ist elektrisch von den anderen Verschaltelementen 26 isoliert. Außerdem sind die Verschaltelemente 26 vom weiteren Verschaltelement 29 elektrisch isoliert. Dazu kann ein elektrisch isolierendes Material zwischen den Verschaltelementen 26 und dem weiteren Verschaltelement 29 angeordnet sein. Das isolierende Material ist in 1 nicht gezeigt. Weiter ist es möglich, dass die Verschaltelemente 26 und/oder das weitere Verschaltelement 29 durch eine Oberflächenbehandlung stellenweise elektrisch isolierend sind.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stators 20 gezeigt. Der einzige Unterschied zu dem in 1 gezeigten Aufbau ist, dass der Stator 20 zusätzlich eine Verkleidung 31 aufweist. Die Verkleidung 31 umgibt den Statorkern 22 in lateralen Richtungen x, wobei die lateralen Richtungen x senkrecht zur Längsachse des Statorkerns 22 verlaufen. Außerdem umgibt die Verkleidung 31 die Verschaltelemente 26 in lateralen Richtungen x. Die Verkleidung 31 kann Aluminium aufweisen.
In 3 ist das Ausführungsbeispiel des Stators 20 aus 1 in einer gekippten Draufsicht gezeigt.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 21 gezeigt. Die elektrische Maschine 21 weist einen wie in 2 gezeigten Stator 20 auf. Außerdem weist die elektrische Maschine 21 einen relativ zum Stator 20 beweglichen Rotor 30 auf. Der Rotor 30 ist ein Innenläufer und im Stator 20 angeordnet.
Mit 5 wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Stators 20 für eine elektrische Maschine 21 beschrieben. In einem ersten Schritt S1 wird der Statorkern 22 des Stators 20 bereitgestellt. Der Statorkern 22 weist mindestens zwei Nuten 23 auf. In einem zweiten Schritt S2 werden mindestens zwei formstabile elektrische Leiter 25 in die Nuten 23 eingebracht, wobei in den Nuten 23 jeweils mindestens einer der Leiter 25 angeordnet ist. Außerdem werden die Leiter 25 mechanisch in den Nuten 23 fixiert. In einem dritten Schritt S3 wird mindestens ein Verschaltelement 26 an mindestens einer Seite des Statorkerns 22 angebracht. Dazu wird das Verschaltelement 26 mit mindestens einem der Leiter 25 elektrisch und mechanisch verbunden. Dies kann durch Kaltverschweißen, Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Metall-Inertgasschweißen, Metall-Aktivgasschweißen, Rühr-Reibschweißen, Löten oder über Druck- oder Federkontakte erreicht werden.
In einem optionalen Schritt vor dem dritten Schritt S3 werden mindestens ein Verschaltelement 26 und mindestens ein weiteres Verschaltelement 29 vor dem Anbringen am Statorkern 22 miteinander mechanisch verbunden und voneinander elektrisch isoliert. Das Verschaltelement 26 und das weitere Verschaltelement 29 können über ein Isolationsharz, einen Verbundwerkstoff, verklebte Isolationen, eine Vergussmasse oder einen Kunststoffspritzguss miteinander mechanisch verbunden sein. Die elektrische Isolation der Verschaltelemente 26 voneinander kann dadurch erreicht werden, dass zwischen den Verschaltelementen 26 ein elektrisch isolierendes Material angeordnet ist. Weiter ist es möglich, dass das Verschaltelement 26 und/oder das weitere Verschaltelement 29 eine Oberflächenbehandlung aufweisen. Im Bereich der Oberflächenbehandlung können das Verschaltelement 26 und/oder das weitere Verschaltelement 29 elektrisch isolierend sein.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stators 20 gezeigt. Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in 6 zur Veranschaulichung eines der Verschaltelemente 26 nicht dargestellt. Außerdem sind die Verschaltelemente 26 und das weitere Verschaltelement 29 elektrisch voneinander isoliert. Dazu ist ein elektrisch isolierendes Material 32 zwischen den Verschaltelementen 26 und dem weiteren Verschaltelement 29 angeordnet. Weiter ist es möglich, dass die Verschaltelemente 26 und/oder das weitere Verschaltelement 29 eine Oberflächenbehandlung aufweisen. Im Bereich der Oberflächenbehandlung sind die Verschaltelemente 26 und/oder das weitere Verschaltelement 29 elektrisch isolierend. In 6 ist gezeigt, dass das elektrisch isolierende Material 32 auf den Verschaltelementen 26 angeordnet ist, welche exponiert sind, da eines der Verschaltelemente 26 nicht dargestellt ist. Auch in lateralen Richtungen x zwischen den Verschaltelementen 26 ist das elektrisch isolierende Material 32 angeordnet. Unterhalb der Stelle, an welcher eines der Verschaltelemente 26 nicht dargestellt ist, ist ein Schnitt im Statorkern 22 dargestellt. In diesem Schnitt ist zu erkennen, dass sich das elektrisch leitfähige Material 32 auch zwischen den Verschaltelementen 26 und dem Statorkern 22 befindet.
In 7 ist ein Ausschnitt des in 6 gezeigten Ausführungsbeispiels des Stators 20 dargestellt. Auch in 7 ist zur Veranschaulichung eines der Verschaltelemente 26 nicht dargestellt. Auf der Oberseite 33 des darunterliegenden Verschaltelements 26 ist das elektrisch isolierende Material 32 angeordnet. Die Oberseite 33 der Verschaltelemente 26 und der weiteren Verschaltelemente 29 ist vom Statorkern 22 abgewandt.
8 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels des Stators 20. Der Stator 20 weist zusätzlich ein Isolationssystem 28 auf. Das Isolationssystem 28 ist in Zwischenräumen zwischen dem Statorkern 22 und den Leitern 25 angeordnet. Weiter ist das Isolationssystem 28 zwischen dem Statorkern 22 und den Verschaltelementen 26 angeordnet. Bei dem Isolationssystem 28 handelt es sich um einen Verguss. Dieser füllt die Zwischenräume im Bereich der Leiter 25 und der Verschaltelemente 26 aus.
Im Querschnitt in 8 ist gezeigt, dass sich einer der Leiter 25 über die Ausdehnung des Statorkerns 22 hinaus erstreckt. Zwischen dem Statorkern 22 und einem der Verschaltelemente 26 ist ein elektrisch isolierendes Material 32 angeordnet. Das elektrisch isolierende Material 32 ist auf dem Statorkern 22 an der Seite angeordnet, an welcher die Verschaltelemente 26 angeordnet sind. Das Isolationssystem 28 ist in den Bereichen der Nuten 23 angeordnet, welche frei von den Leitern 25 sind. Die Bereiche der Nuten 23, in welchen das Isolationssystem 28 angeordnet ist, sind an der Innenseite des Statorkerns 22 sichtbar. Um den Statorkern 22 und die Verschaltelemente 26 herum ist die Verkleidung 31 angeordnet.
Der im Querschnitt gezeigte Leiter 25 ist mit dem untersten der drei im Querschnitt gezeigten Verschaltelemente 26 verbunden. Zwischen den Verschaltelementen 26 ist jeweils ein elektrisch isolierendes Material 32 angeordnet. Die zwei über dem untersten Verschaltelement 26 angeordneten Verschaltelemente 26 erstrecken sich nicht bis zum Leiter 25, so dass diese nicht mit dem Leiter 25 verbunden sind. Die Zwischenräume zwischen dem Statorkern 22, den Leitern 25 und den Verschaltelementen 26 sind vom Isolationssystem 28 ausgefüllt.
In 9 ist eine Schnittdarstellung durch einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels des Stators 20 gezeigt. Der einzige Unterschied zu dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass anstelle des elektrisch isolierenden Materials 32 das Isolationssystem 28 verwendet wird. Das bedeutet, zwischen den Verschaltelementen 26 ist das Isolationssystem 28 angeordnet. Außerdem ist das Isolationssystem 28 auf dem Statorkern 22 an der Seite angeordnet, an welcher die Verschaltelemente 26 angeordnet sind. Somit isoliert das Isolationssystem elektrisch den Statorkern 22 von den Verschaltelementen 26. Des Weiteren isoliert das Isolationssystem 28 elektrisch die Verschaltelemente 26 voneinander.
In 10 ist ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des Stators 20 gezeigt. Die Ausnehmungen 27 der Verschaltelemente 26 weisen jeweils eine Form zur Positionierung eines Leiters 25 in der Ausnehmung 27 auf. Dazu weisen die Ausnehmungen 27 in einem Querschnitt durch den Stator 20 jeweils die Form eines Trapezes auf, wobei der Querschnitt in einer Ebene gegeben ist, welche senkrecht zur Längsachse des Statorkerns 22 verläuft. Auch die Leiter 25 weisen in diesem Querschnitt die Form eines Trapezes auf. Somit können die Leiter 25 passgenau in den Ausnehmungen 27 platziert werden. Außerdem wird durch die trapezartige Form ein Verrutschen der Leiter 25 in lateralen Richtungen x verhindert.
In 11 ist ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des Stators 20 gezeigt. Dabei weisen jeweils ein Verschaltelement 26 und ein weiteres Verschaltelement 29 stellenweise eine ineinandergreifende Form auf. An ihrer Oberseite 33 weisen die Verschaltelemente 26 und die weiteren Verschaltelemente 29 jeweils eine Ausstülpung 34 auf. An ihrer der Oberseite 33 abgewandten Unterseite weisen die Verschaltelemente 26 und die weiteren Verschaltelemente 29 jeweils eine Aussparung 35 auf, welche die Form der Ausstülpung 34 hat. Die Verschaltelemente 26 und die weiteren Verschaltelemente 29 können derart an den Statorkern 22 angebracht sein, dass jeweils eine Ausstülpung 34 in einer Aussparung 35 angeordnet ist. Somit greifen jeweils ein Verschaltelement 26 und ein weiteres Verschaltelement 29 stellenweise ineinander, was die Stabilität der Verbindung der Verschaltelemente 26 und der weiteren Verschaltelemente 29 miteinander erhöht.
Bezugszeichenliste

20:: Stator
21:: elektrische Maschine
22:: Statorkern
23:: Nut
24:: elektrische Wicklung
25:: Leiter
26:: Verschaltelement
27:: Ausnehmung
28:: Isolationssystem
29:: weiteres Verschaltelement
30:: Rotor
31:: Verkleidung
32:: elektrisch isolierendes Material
33:: Oberseite
34:: Ausstülpung
35:: Aussparung
S1,: S2, S3: Schritte
x:: laterale Richtung

Claims

Stator (20) für eine elektrische Maschine (21), der Stator (20) umfassend: - einen Statorkern (22), - mindestens zwei Nuten (23), welche im Statorkern (22) angeordnet sind, - eine elektrische Wicklung (24), welche mindestens zwei formstabile elektrische Leiter (25) umfasst, und - mindestens ein Verschaltelement (26) an mindestens einer Seite des Statorkerns (22), wobei - in den Nuten (23) jeweils mindestens einer der Leiter (25) angeordnet ist, - das Verschaltelement (26) mit mindestens einem der Leiter (25) elektrisch verbunden ist, - das Verschaltelement (26) über mindestens einen der Leiter (25) mechanisch mit dem Statorkern (22) verbunden ist, - die Leiter (25) jeweils mechanisch in den Nuten (23) fixiert sind, und - die mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement (26) und dem Statorkern (22) über mindestens einen der Leiter (25) selbsttragend ist.
Stator (20) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei das Verschaltelement (26) mit mindestens einem der Leiter (25) formschlüssig mechanisch verbunden ist.
Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verschaltelement (26) mindestens eine Ausnehmung (27) aufweist.
Stator (20) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei das Verschaltelement (26) im Bereich der Ausnehmung (27) mechanisch und elektrisch mit einem der Leiter (25) verbunden ist.
Stator (20) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei sich durch die Ausnehmung (27) einer der Leiter (25) erstreckt.
Stator (20) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Ausnehmung (27) eine Form zur Positionierung eines Leiters (25) in der Ausnehmung (27) aufweist.
Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welcher ein Isolationssystem (28) aufweist, welches zumindest in Zwischenräumen zwischen dem Statorkern (22) und den Leitern (25) und/oder zwischen dem Statorkern (22) und dem Verschaltelement (26) angeordnet ist.
Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welcher mindestens ein weiteres Verschaltelement (29) aufweist.
Stator (20) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei das Verschaltelement (26) und das weitere Verschaltelement (29) elektrisch voneinander isoliert sind.
Stator (20) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Verschaltelement (26) und das weitere Verschaltelement (29) stellenweise eine ineinandergreifende Form aufweisen.
Elektrische Maschine (21) mit einem Stator (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche und einem relativ zum Stator (20) beweglichen Rotor (30).
Verfahren zur Herstellung eines Stators (20) für eine elektrische Maschine (21) mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Statorkerns (22) des Stators (20) mit mindestens zwei Nuten (23), - Einbringen von mindestens zwei formstabilen elektrischen Leitern (25) in die Nuten (23), wobei in den Nuten (23) jeweils mindestens einer der Leiter (25) angeordnet ist, - mechanisches Fixieren der Leiter (25) in den jeweiligen Nuten (23), und - Anbringen von mindestens einem Verschaltelement (26) an mindestens einer Seite des Statorkerns (22), wobei - eine elektrische Wicklung (24) des Stators (20) die Leiter (25) und das Verschaltelement (26) umfasst, - das Verschaltelement (26) mit mindestens einem der Leiter (25) elektrisch verbunden ist, - das Verschaltelement (26) über mindestens einen der Leiter (25) mechanisch mit dem Statorkern (22) verbunden ist, - die Leiter (25) jeweils mechanisch in den Nuten (23) fixiert sind, und - die mechanische Verbindung zwischen dem Verschaltelement (26) und dem Statorkern (22) über mindestens einen der Leiter (25) selbsttragend ist.
Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei der Stator (20) mindestens ein weiteres Verschaltelement (29) aufweist, und das Verschaltelement (26) und das weitere Verschaltelement (29) vor dem Anbringen am Statorkern (22) miteinander mechanisch verbunden und voneinander elektrisch isoliert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei das Verschaltelement (26) durch Kaltverschweißen, Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Metall-Inertgasschweißen, Metall-Aktivgasschweißen, Rühr-Reibschweißen, Löten oder über Druck- oder Federkontakte mit mindestens einem der Leiter (25) elektrisch verbunden wird.