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Die Erfindung betrifft eine Statoreinheit für eine elektrische Maschine, mit einem Stator, an Statorzähnen des Stators angeordneten konzentrierten Wicklungen, mindestens einem Verschaltungsring und einer den mindestens einen Verschaltungsring tragenden Trägereinrichtung.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende elektrische Maschine mit einem Rotor und einer derartigen Statoreinheit sowie ein Verfahren zum Erstellen einer Sternverschaltung bei einer derartigen Statoreinheit.
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Elektrische Maschinen kommen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zum Einsatz. Als Beispiel ist der Einsatz solcher elektrischen Maschinen in Kraftfahrzeugen in Form elektrischer Hybridfahrzeuge sowie in rein elektrisch fahrenden Fahrzeugen zu nennen. Die elektrischen Maschinen können dabei als Antriebsmaschinen, beispielsweise als Radnabenmotoren ausgebildet sein. Eine elektrische Maschine verfügt in der Regel über einen Stator und einen Rotor, die magnetisch interagieren. Für den Stator sind zur Bildung der Spulen unterschiedliche Wickeltechniken bekannt. Für eine besonders dichte und kompakte Wicklung wird die so genannte konzentrierte Wicklung verwendet. Bei dieser Wickeltechnik sind auf den einzelnen Statorzähnen einzelne Wicklungen vorgesehen, was eine sehr hohe Packungsdichte ermöglicht, die benachbarten Wicklungen liegen äußerst eng aneinander an.
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Elektrische Maschinen mit konzentrierten Wicklungen besitzen eine unterschiedliche Anzahl an Statorzähnen. In der Regel bilden drei aufeinanderfolgende Statorzähne ein Polpaar. Für elektrische Maschinen mit konzentrierter Wicklungsanordnung und Sternverschaltung beim Stator müssen die einzelnen Polpaare, also beispielsweise drei Zähne, miteinander gekoppelt/verbunden werden. Die Realisierung und Zugänglichkeit des entsprechenden Sternpunktes der Sternverschaltung wird oft durch den bei der elektrischen Maschine zur Verfügung stehenden Bauraum begrenzt.
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Bei bekannten elektrischen Maschinen mit konzentrierten Wicklungen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten den Sternpunkt zu realisieren. Eine übliche Art und Weise ist es die Phasenausgänge auf den jeweiligen Statorzahn zu legen, dabei wird dieser in einen Kunststoffkörper gelegt oder geclipst. Der Sternpunkt kann erst gebildet werden, wenn der die einzelne Statorzähne im Statorträger eingesetzt wurden. Dies ist jedoch montagetechnisch ungünstig, da die Zugänglichkeit ist stark begrenzt.
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Das Dokument
DE 10 2018 119 831 A1 beschreibt eine elektrische Maschine, die eine Statoreinheit mit einem Stator, an Statorzähnen des Stators angeordneten konzentrierten Wicklungen, mindestens einem Verschaltungsring und einer den mindestens einen Verschaltungsring tragenden Trägereinrichtung aufweist. Die Montage und die Realisierung eines entsprechenden Stator-Sternpunktes werden bei diesem Dokument nicht thematisiert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, durch die die Montage einer elektrischen Maschine, insbesondere im Zusammenhang mit der Realisierung eines entsprechenden Sternpunktes bei deren Stator, vereinfacht wird.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Statoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Verfahren elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10. 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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Bei der erfindungsgemäßen Statoreinheit für eine elektrische Maschine, die einen Stator, an Statorzähnen des Stators angeordneten konzentrierten Wicklungen, mindestens einen Verschaltungsring und eine den mindestens einen Verschaltungsring tragende Trägereinrichtung umfasst, ist vorgesehen, dass die Statoreinheit weiterhin mindestens eine Fixierungseinrichtung zur Fixierung von Wicklungsenden der Wicklungen in einer maschinenfest vorgegebenen Ausrichtung umfasst, wobei diese Ausrichtung bezüglich einer Drehachse der elektrischen Maschine zumindest eine achsparallele Komponente aufweist. Durch diese Maßnahme können entsprechende Phasenausgänge gezielt ausgerichtet werden, was deren Zugänglichkeit verbessert und so die Montage im Zusammenhang mit der Realisierung eines entsprechenden Sternpunktes vereinfacht.
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Mittels der hier beschriebenen Maßnahme kann dann bei der Montage der elektrischen Maschine ein nachgeschalteter Schweißprozess sicher durchgeführt werden. Durch die gute Zugänglichkeit der die Phasenausgänge bildenden Wicklungsenden ist es möglich, unterschiedliche Arten von Schweißprozessen zu implementieren. Bei der Montage der bekannten elektrischen Maschinen muss oftmals ein Laserschweißprozess genutzt werden, welcher teuer und aufwendig ist. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann beispielsweise ein Widerstandsschweißprozess eingesetzt werden, was kostengünstiger, einfacher und schneller ist.
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Die entsprechende elektrische Maschine ist insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, bevorzugt eine elektrische Maschine für den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fixierungseinrichtung die Wicklungsenden im Wesentlichen parallel zur Drehachse der elektrischen Maschine ausrichtet. Diese Ausrichtung ist auch innerhalb der Statoreinheit definiert - mit anderen Worten kann man bereits der Statoreinheit ansehen, welche Ausrichtung die Rotationsachse haben wird. Durch die Fixierungseinrichtung kann also der jeweilige Phasenausgang axial nach außen gerichtet werden, was dessen Zugänglichkeit, zum Beispiel für ein anschließendes Erstellen eines Sternpunktes, verbessert. Die Phasenausgänge stehen axial hervor und können entsprechend von externen Vorrichtungen einfach gehalten und einfach zentriert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Fixierungseinrichtung an der Trägereinrichtung angeordnet. Die Fixierungseinrichtung wird an der Trägereinrichtung, die oft auch als Schaltringträger bezeichneten wird, direkt oder über ein Zwischenelement angebracht oder ist einstückig mit der Trägereinrichtung verbunden. Die Trägereinrichtung ist oftmals selbst ringförmig und wird in diesem Fall auch als Trägerring bezeichnet.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Fixierungseinrichtung bezüglich der Drehachse an einem Außenumfang der Trägereinrichtung angeordnet ist. In der Regel ist dort ein entsprechender Bauraum vorhanden oder kann dort vorgesehen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fixierungseinrichtung Clipsverbindungshalterungen zum Einclipsen der Wicklungsenden aufweist. Auf diese Weise kann die Fixierung besonders einfach und schnell durchgeführt werden, denn die vorliegenden Phasenausgänge können in die Halterungen der Fixierungseinrichtung eingeclipst werden.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Fixierungseinrichtung federnd ausgebildete Arme aufweist, die die Clipsverbindungshalterungen bilden. Bevorzugt sind die federnd ausgebildeten Arme dabei in einer Reihe angeordnet.
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Im Zusammenhang mit den Clipsverbindungshalterungen ist vorgesehen, dass diese Haltenasen (auch Rastnasen genannt) und/oder Einführschrägen aufweisen. Auf diese Weise können die Wicklungsenden einfach eingeführt/eingefädelt werden.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fixierungseinrichtung aus Kunststoff ausgebildet ist. Aus Kunststoff lässt sich die Fixierungseinrichtung besonders einfach und kostengünstig herstellen. Außerdem lassen sich so die Clipsverbindungshalterungen besonders einfach realisieren.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Rotor und einer einen Stator umfassenden Statoreinheit ist vorgesehen, dass diese Statoreinheit als vorstehend genannte Statoreinheit ausgestaltet ist.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen einer Sternverschaltung bei einer vorstehend genannten Statoreinheit beziehungsweise.elektrischen Maschine.. Dabei ist vorgesehen, dass den Phasenausgängen entsprechende Wicklungsenden der Wicklungen des Stators in die mindestens eine Fixierungseinrichtung eingelegt werden und anschließend zu einem Sternpunkt der Sternverschaltung verschweißt, insbesondere per Widerstandsschweißprozess verschweißt, werden.
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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: Komponenten einer Statoreinheit für eine elektrische Maschine gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung,
- 2: Details eines Stators und einer entsprechenden Verschaltungsanordnung der Statoreinheit in einer Schnittdarstellung,
- 3: ein Anschlusselement und eine Fixierungseinrichtung der Verschaltungsanordnung an einer Trägereinrichtung,
- 4: die Details der 2 aus einer anderen Perspektive,
- 5: die Fixierungseinrichtung im Detail,
- 6: die Fixierungseinrichtung in ihrem von der Statoreinheit gebildeten Umfeld und
- 7: die Fixierungseinrichtung in ihrem von der Statoreinheit gebildeten Umfeld mit eingelegten Wicklungsenden.
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Die 1 zeigt Komponenten einer Statoreinheit 10 für eine elektrische Maschine, nämlich die Komponenten eines Stators 12 der elektrischen Maschine und Komponenten, die einen direkten Bezug zu diesem Stator 12 haben. Der Stator 12 weist einen ringförmigen Statorträger 14 und eine Vielzahl (hier sechsunddreißig) von umfänglich um eine Drehachse A angeordneten Statorzähnen 16 auf, die von entsprechenden Wicklungen 18 umgeben und daher nicht unmittelbar sichtbar sind. Die Wicklungen 18 sind konzentrierte Wicklungen, sodass sich ein konzentrierter Wicklungsaufbau ergibt. Exemplarisch ist einer der Statorzähne 16 in der Schnittdarstellung der 2 dargestellt.
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Des Weiteren zeigt die 1 eine Verschaltungsanordnung 20 zur elektrischen Verschaltung des Stators 12 der an den Statorzähnen 16 angeordneten Statorwicklungen 18. Die Kontaktierungsanordnung 20 weist drei den einzelnen Phasen U, V, W zugeordnete Verschaltungsringe 22 auf, die von einer als Kunststoffring ausgebildeten Trägereinrichtung 24 gehalten werden. Jeder der Verschaltungsringe 22 ist eine Art ringförmige Sammelschiene (engl.: Busbar). An dieser Stelle sei angemerkt, dass manchmal auch die Gesamtheit dieser Sammelschienen als Verschaltungsring bezeichnet wird. Die Verschaltungsanordnung 20 weist weiterhin ein Anschlussterminal auf, von dem hier nur drei Anschlusselemente 26 gezeigt sind. Diese Anschlusselemente 26 werden oftmals auch als HV-Kontaktierungen bezeichnet.
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Ein wichtiges weiteres Detail der Verschaltungsanordnung 20 sind Fixierungseinrichtungen 28 zur Fixierung von in 7 gezeigten Wicklungsenden 30 der Wicklungen 18, auf die aber erst im Zusammenhang mit den 3 bis 7 eingegangen wird. Im Beispiel der 1 sind zwölf solche Fixierungseinrichtungen 28 an einem radialen Außenumfang der Trägereinrichtung 24 bezüglich der Drehachse A umfänglich verteilt angeordnet. Jede der Fixierungseinrichtungen 28 ist also einer Gruppe von drei Zähnen 16 beziehungsweise Wicklungen 18 zugeordnet, denn es bilden drei aufeinanderfolgende Statorzähne 16 je ein Polpaar. Für elektrische Maschinen mit konzentrierter Wicklungsanordnung und Sternverschaltung müssen die einzelnen Polpaare, also beispielsweise drei Zähne 16 miteinander gekoppelt/verbunden werden. Diese elektrische Verbindung wird über die (in 6 explizit gezeigten und den Phasenausgang bildenden) Wicklungsenden 30 gebildet.
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Die 2 zeigt Details des Stators 12 und der entsprechenden Verschaltungsanordnung der Statoreinheit 10 in einer Schnittdarstellung durch einen der Statorzähne 16. Neben diesem Statorzahn 16 ist auch ein Ansatz des die Statorzähne 16 tragenden Statorträgers 14 erkennbar. Die entsprechenden Wicklungen 18 kontaktieren die Verschaltungsringe 22 mit ihren einen jeweiligen Phaseneingang bildenden Wicklungsenden 32 elektrisch. Auf der anderen Seite der Trägereinrichtung 24 ist eines der Anschlusselemente 26 angeordnet.
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3 zeigt eines der Anschlusselemente 26 und die in der Nähe dieses Anschlusselements 26 angeordnete Fixierungseinrichtung 28 der Verschaltungsanordnung 20 an der Trägereinrichtung 24 mit den drei Verschaltungsringen 22. Das fingerförmige Anschlusselement 26 ist über eine Gewindebuchse 34 mit der Trägereinrichtung 24 verbunden und kontaktiert über sein freies Ende 36 Kontakte 38 des entsprechenden Verschaltungsrings 22. Die Fixierungseinrichtung 28 weist Clipsverbindungshalterungen 40 zum Einclipsen der Wicklungsenden 30 auf, die von vier in einer Reihe angeordneten und federnd ausgebildeten Armen 42 gebildet werden.
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Die 4 zeigt die Details der 2 aus einer anderen Perspektive. Zum einen sieht man wie die Wicklungen 18 die Verschaltungsringe 22 mit ihren Phaseneingänge bildenden Wicklungsenden 32 elektrisch kontaktieren. Zum anderen sieht man wie die den Phasenausgängen entsprechenden Wicklungsenden 30 über Halteelemente 44 am Stator 12 gehalten werden. Auch eine der Fixierungseinrichtungen 28 ist sichtbar.
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Die 5 zeigt die Fixierungseinrichtung 28 im Detail. Diese weist - wie bereits erwähnt - Clipsverbindungshalterungen 40 zum Einclipsen der Wicklungsenden 30 auf, die von in Reihe angeordneten und federnd ausgebildeten Armen 42 gebildet werden. Die Arme 42 weisen an ihren freien Enden Rast- beziehungsweise Haltenasen 46 auf, an deren Kopfseite Einführschrägen 48 ausgebildet sind.
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6 zeigt eine der Fixierungseinrichtungen 28 in ihrem von der Statoreinheit 10 gebildeten Umfeld bei der Montage vor den Montageschritten zum Erstellen eines entsprechenden Sternpunkts. Weiterhin sind die entsprechenden drei Wicklungen 18 gezeigt, die ein entsprechendes Polpaar bilden und über den Sternpunkt verbunden werden sollen.
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7 zeigt schließlich die gleiche Szene wie 6, jedoch nach dem ersten Montageschritt zum Erstellen des entsprechenden Sternpunkts der Sternverschaltung. Bei diesem ersten Montageschritt sind die den Phasenausgängen entsprechenden Wicklungsenden 30 der drei gezeigten Wicklungen 18 über die gezeigte Fixierungseinrichtungen 28 an der Trägereinrichtung 24 in einer maschinenfest vorgegebenen Ausrichtung fixiert, die bezüglich der Drehachse A der elektrischen Maschine im Wesentlichen achsparallel ist.
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Mittels der hier beschriebenen Maßnahme kann dann ein nachgeschalteter Schweißprozess, bei dem der Sternpunkt entsteht, sicher durchgeführt werden. Durch die so gewährleistete gute Zugänglichkeit der die Phasenausgänge bildenden Wicklungsenden 30 ist es möglich, unterschiedliche Arten von Schweißprozessen zu implementieren. Durch die hier gezeigte Maßnahme kann beispielsweise ein Widerstandsschweißprozess eingesetzt werden, wodurch der Sternpunkt kostengünstig, einfach und schnell erstellbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Statoreinheit
- 12
- Stator
- 14
- Statorträger
- 16
- Statorzahn
- 18
- Wicklung
- 20
- Kontaktierungsanordnung
- 22
- Verschaltungsring
- 24
- Trägereinrichtung
- 26
- Anschlusselement
- 28
- Fixierungseinrichtung
- 30
- Wicklungsende
- 32
- Wicklungsende
- 34
- Gewindebuchse
- 36
- freies Ende (Anschlusselement)
- 38
- Kontakt (Verschaltungsring)
- 40
- Clipsverbindungshalterung
- 42
- Arm
- 44
- Halteelement
- 46
- Haltenase
- 48
- Einführschräge
- A
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018119831 A1 [0006]
