DE102020123903A1 - Stator für eine elektrische Maschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (100) für eine elektrische Maschine mit einem Statorkern (102) und zumindest einer Wicklung (110), die einen axial über den Statorkern (102) hinausragenden Wicklungskopf (120) aufweist, wobei der Wicklungskopf (120) Abschnitte der Wicklung umfasst, die Umkehrungen der Wicklungsdrähte bilden, und Wicklungsanschlussleitungen (126) zur Bestromung der Wicklung (110) und zumindest eine radial außen angeordnete erste Reihe von Wicklungsabschnitten (127) und eine davon beabstandete radial innen angeordnete zweite Reihe von Wicklungsabschnitten (128) aufweist, wobei Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen (126) jeweils in Umfangsrichtung verlaufen, axial nicht über die erste (127) und die zweite (128) Reihe von Wicklungsabschnitten hinausragen und radial zwischen der ersten (127) und der zweiten (128) Reihe von Wicklungsabschnitten angeordnet und durch diese fixiert sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen solchen Stator (100), sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator (100).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben und eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Statoren für elektrische Maschinen weisen meist einen Statorkern aus einem magnetisch weichen und somit leicht polarisierbaren Material, beispielsweise Weicheisen, auf. Der Statorkern weist häufig eine insgesamt im Wesentlichen hohlzylindrische Form auf, wobei entlang des inneren Umfangs des Hohlzylinders Nuten, die in einer Richtung parallel zu der entsprechenden Zylinderachse verlaufen, eingebracht sein können. In diese Nuten wird generell eine Wicklung aus elektrisch leitendem Draht, beispielsweise Kupfer- oder Aluminiumdraht, eingebracht. An axial außen liegenden Enden des Statorkerns kann dabei die Richtung des Wicklungsdrahtes umgekehrt werden, so dass der Draht in einer Nut in die eine Richtung verläuft und insbesondere in einer anderen, beispielsweise benachbarten, Nut zurücklaufen kann. Die Umkehrungen, die dabei axial außerhalb des Statorkerns bzw. seiner Nuten angeordnet sind, bilden in ihrer Gesamtheit einen Wicklungskopf. Zugehörige Anschlussleitungen der Wicklung können auf dem Wicklungskopf beispielsweise durch Festnähen bzw. -binden oder Verkleben fixiert werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine elektrische Maschine, ein Stator sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine weist einen Statorkern und zumindest eine Wicklung auf. Die Wicklung weist einen axial über den Statorkern hinausragenden Wicklungskopf auf, der durch die Bereiche der Wicklung gebildet ist, die die Umkehrungen der Wicklungsdrähte bilden. Der Wicklungskopf weist neben diesen Umkehrungen auch Wicklungsanschlussleitungen auf, wobei die Umkehrungen zumindest eine radial außen angeordnete erste Reihe von Wicklungsabschnitten und eine davon beabstandete radial innen angeordnete zweite Reihe von Wicklungsabschnitten aufweisen. Jeweils in Umfangrichtung verlaufend angeordnete Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen sind zwischen der ersten und der zweiten Reihe von Wicklungsabschnitten und axial nicht über diese hinausragend angeordnet und durch diese, insbesondere in axialer und/oder radialer Richtung, fixiert. Dadurch kann ein Bewegungsspielraum der Anschlussleitungen besonders effizient und effektiv eingeschränkt werden, so dass während Montage und Betrieb die Gefahr von Beschädigungen des Leitungsdrahtes minimiert wird. Vorteilhafterweise können damit zusätzliche Befestigungsmittel, wie insbesondere Bindeschnüre oder Bindedrähte vermieden werden. In einigen Ausgestaltungen werden die Anschlussleitungen optional trotzdem zusätzlich durch Annähen und/oder Festbinden und/oder Verkleben und/oder Vergießen fixiert. Dadurch wird die Fixierung der Anschlussleitungen besonders sicher.
  • In einigen Ausgestaltungen weist der Wicklungskopf zwischen der ersten Reihe von Wicklungsabschnitten und der zweiten Reihe von Wicklungsabschnitten zumindest eine weitere Reihe von Wicklungsabschnitten auf, wobei die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen in axialer Richtung über die zumindest eine weitere Reihe hinausragend, radial jedoch in derselben Ebene wie die zumindest eine weitere Reihe angeordnet sind. Dadurch kann eine insgesamt höhere Kupferfüllung des Stators realisiert werden.
  • Bevorzugt verlaufen die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen zumindest über zwei Nutbreiten und/oder zumindest 5°, 10°, 15° oder 30° in Umfangsrichtung entlang des Wicklungskopfes. Dadurch können verschiedene Phasen der Wicklung sicher an die zugehörigen Anschlüsse bzw. Stromverbinder geführt werden. Insbesondere erübrigt sich dadurch eine Umgestaltung bewährter Anschlusskonzepte, so dass die übrigen Statorkomponenten unabhängig von der vorliegenden Erfindung eingesetzt bzw. optimiert werden können.
  • In vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung weist der Wicklungskopf eine Variation einer axialen Höhe bzw. axialen Erstreckung von höchstens 20%, 15%, 10% oder 5% über den gesamten Umfang des Stators auf. In anderen Worten ist der Wicklungskopf über den gesamten Umfang im Wesentlichen gleich hoch, so dass besonders geringe Fertigungstoleranzen und besonders kompakte Einbaumaße realisiert werden können.
  • Bevorzugt ragen die fixierten Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen an keiner Stelle nach radial außen über die erste Reihe oder nach radial innen über die zweite Reihe von Wicklungsabschnitten hinaus. Dadurch kann eine Beschädigungsgefahr während Montage und Betrieb der elektrischen Maschine minimiert werden.
  • Bevorzugt weist ein Wicklungsdraht, aus dem die Wicklung gefertigt ist, eine minimale Querschnittsfläche von über 0,5 mm2, 1 mm2, 2 mm2 oder 4 mm2 auf. Dies stellt eine ausreichende Stabilität der Wicklungsabschnitte, die die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen fixieren, auch ohne zusätzliche Fixierung sicher.
  • Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stators, sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator. Diese profitieren jeweils in analoger Weise von den Merkmalen und Vorteilen des Stators. Daher gelten in Bezug auf einen Aspekt der Erfindung erläuterte Merkmale und Vorteile sinngemäß ebenso für die jeweils anderen Aspekte und deren vorteilhafte Ausgestaltungen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stators in schematischer Darstellung.
    • 2 veranschaulicht eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Stators.
    • 3 zeigt ein mögliches Ergebnis des in 2 veranschaulichten Verfahrens.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stators schematisch in Form eines halben Längsschnitts dargestellt und insgesamt mit 100 dargestellt.
  • Der Stator 100 ist im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet, wobei 1 einen Schnitt entlang einer radialen Ebene darstellt. Ein Radius 105 sowie eine zentrale Achse 101 sind zur Veranschaulichung eingezeichnet.
  • Der Stator 100 weist einen Statorkern 102, beispielsweise einen lamellierten Eisenkern, und eine Wicklung 110, die beispielsweise aus lackisoliertem Aluminium- oder Kupferdraht gewickelt sein kann, auf. Einzelne Drähte der Wicklung 110 verlaufen in Nuten des Statorkerns 102, verlassen diese axialseitig, bilden Umkehrschlaufen bzw. Umkehrabschnitte und treten axialseitig in andere Nuten wieder ein.
  • Die Wicklung 110 weist einen Wicklungskopf 120 auf, der in 1 in einer Richtung parallel zu der Achse 101 oberhalb des Statorkerns 102 angeordnet ist und aus den Umkehrabschnitten der Wicklung gebildet ist. Der Wicklungskopf 120 besteht hier im Wesentlichen aus ersten Wicklungsabschnitten 127, zweiten Wicklungsabschnitten 128, weiteren Wicklungsabschnitten 129, sowie Abschnitten von Wicklungsanschlussleitungen 126. Die Wicklungsabschnitte 126, 127 und 128 sind dabei aus jeweiligen Umkehrschlaufen des Wicklungsdrahtes der Wicklung 110 gebildet, während die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen 126 im Wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene in Umfangsrichtung des Stators 100 verlaufen und aus zur Bestromung der Wicklung 110 dienenden Endabschnitten des jeweiligen Wicklungsdrahtes gebildet sind.
  • Die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen 126 sind dabei in radialer Richtung 105 zwischen den ersten 127 und zweiten 128 Wicklungsabschnitten angeordnet und liegen in axialer Richtung über den weiteren Wicklungsabschnitten 129. In axialer Richtung ragen die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen dabei nicht über die ersten und zweiten Wicklungsabschnitte 127, 128 hinaus, so dass ein Bereich, in dem sich die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen 126 befinden, radial nach außen durch die ersten Wicklungsabschnitte 127 und radial innen durch die zweiten Wicklungsabschnitte 128 begrenzt ist. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Fixierung der Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen 126 in radialer Richtung durch die ersten und zweiten Wicklungsabschnitte, die noch dadurch verstärkt wird, dass die ersten Wicklungsabschnitte 127 in einem Bereich um ihren jeweiligen axialen Scheitelpunkt herum nach radial innen und die zweiten Wicklungsabschnitte 128 in einem Bereich um ihren jeweiligen axialen Scheitelpunkt herum nach radial außen gebogen sind, so dass sie die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen 126 auch in axialer Richtung fixieren bzw. deren Bewegungsfreiheit in axialer Richtung einschränken.
  • Somit ist eine axiale Höhe 124 des Wicklungskopfes 120 im Wesentlichen durch eine axiale Erstreckung der ersten respektive zweiten Wicklungsabschnitte 127, 128 bestimmt, wodurch die Höhe 124 des Wicklungskopfes 120 präzise einstellbar ist, so dass Fertigungstoleranzen des Stators 100, wie auch anderer Komponenten einer elektrischen Maschine, in der der Stator 100 verwendet werden soll, kleiner bzw. enger gestaltet werden können. Dadurch kann insgesamt ungenutzter Bauraum eingespart werden.
  • In 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Stators 100, wie er in Bezug auf 1 bereits besprochen wurde, veranschaulicht. Der Übersichtlichkeit halber wurden für identische Merkmale die jeweils gleichen Bezugszeichen verwendet. Diese werden hier unter Verweis auf die obigen Ausführungen nicht erneut erläutert. Dabei zeigt 2 eine teilweise Draufsicht aus Richtung des Wicklungskopfes 120 auf den Stator 100.
  • Bei der Fertigung des Stators 100 kann insbesondere so vorgegangen werden, dass die ersten und zweiten Wicklungsabschnitte 127, 128 zunächst im Wesentlichen parallel zu der Achse 101 des Stators 100 über den Statorkern 102 hinausragen. Sie können bei Bedarf auch leicht von der Achse weg nach außen (127) bzw. nach innen (128) gebogen sein, um eine Aufnahmeöffnung für die Abschnitte 126 zu bilden. Dadurch bleibt der Bereich radial zwischen den ersten 127 und zweiten 128 Wicklungsabschnitten aus axialer Richtung zugänglich. Abschnitte 126 der Wicklungsanschlussleitungen werden dann zwischen den ersten 127 und zweiten 128 Wicklungsabschnitten und auf den weiteren Wicklungsabschnitten 129 in Umfangsrichtung - vorzugsweise entlang mehrerer Statornutbreiten - in den Wicklungskopf 120 verlegt. Anschließend werden die ersten Wicklungsabschnitte 127 im Bereich um ihre axialen Scheitelpunkte in einer Richtung nach radial innen gebogen 131, so dass sie die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen, die in Umfangsrichtung in dem Wicklungskopf 120 verlegt sind, in einer radial äußeren Richtung in ihrer Bewegungsfreiheit einschränken und in axialer Richtung zumindest teilweise bedecken. Parallel dazu oder zeitlich vor- oder nachgelagert werden die zweiten Wicklungsabschnitte 128 in einer Richtung nach radial außen gebogen 132, so dass sie die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen 126, die innerhalb des Wicklungskopfes 120 in Umfangsrichtung verlegt sind, in einer radial inneren Richtung abstützen und in der axialen Richtung zumindest teilweise bedecken. Anschließend kann noch ein Lack oder Kleber zum Fixieren der Struktur aufgebracht bzw. der Wicklungskopf darin eingetaucht werden.
  • Dadurch sind die Abschnitte 126 der Wicklungsanschlussleitungen zwischen den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten 127, 128 eingeklemmt und sowohl in radialer als auch axialer Richtung fixiert. Durch die Anordnung auf den weiteren Wicklungsabschnitten 129 ist auch die Bewegungsfreiheit in Richtung axial nach unten extrem limitiert, so dass insgesamt eine nahezu spielfreie Fixierung der in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitte 126 der Wicklungsanschlussleitungen erreicht wird. Dies ermöglicht eine weitgehende Automatisierung und damit Ökonomisierung des Herstellungsprozesses bei gleichzeitiger Verringerung der notwendigen Einbautoleranzen.
  • In 3 ist ein mögliches Ergebnis eines vorteilhaften Herstellungsverfahrens für einen Stator, wie es unter Bezugnahme auf 2 erläutert wurde, gezeigt. Dabei entspricht 3 im Wesentlichen einer teilweisen Draufsicht aus Richtung des Wicklungskopfes 120 auf den Stator 100, der in 1 in Form eines Längsschnitts dargestellt ist.
  • In 3 ist im Vergleich zu der Darstellung in 2 zu erkennen, wie die ersten und zweiten Wicklungsabschnitte 127, 128 die Abschnitte 126 der Wicklungsanschlussleitungen in axialer Richtung teilweise bedecken und radial fixieren. Ferner ist erkennbar, wie Anschlussabschnitte 122 der Wicklungsanschlussleitungen in axialer Richtung aus dem Wicklungskopf 120 herausragen. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass diese Anschlussabschnitte 122 in radialer Richtung im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsmethoden nur sehr wenig Spiel haben und daher an einer definierten Position des Wicklungskopfes 120 austreten. Somit können die Anschlussabschnitte beispielsweise durch automatisiert arbeitende Montagewerkzeuge, beispielsweise einen Schweiß- bzw. Lötroboter, mit entsprechenden Anschlussklemmen einer elektrischen Maschine (nicht dargestellt) verbunden werden.

Claims (11)

  1. Stator (100) für eine elektrische Maschine mit einem Statorkern (102) und zumindest einer Wicklung (110), die einen axial über den Statorkern (102) hinausragenden Wicklungskopf (120) aufweist, wobei der Wicklungskopf (120) Abschnitte der Wicklung umfasst, die Umkehrungen der Wicklungsdrähte bilden, und Wicklungsanschlussleitungen (126) zur Bestromung der Wicklung (110) und zumindest eine radial außen angeordnete erste Reihe von Wicklungsabschnitten (127) und eine davon beabstandete radial innen angeordnete zweite Reihe von Wicklungsabschnitten (128) aufweist, wobei Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen (126) jeweils in Umfangsrichtung verlaufen, axial nicht über die erste (127) und die zweite (128) Reihe von Wicklungsabschnitten hinausragen und radial zwischen der ersten (127) und der zweiten (128) Reihe von Wicklungsabschnitten angeordnet und durch diese fixiert sind.
  2. Stator (100) nach Anspruch 1, wobei die Fixierung der Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen (126) durch die erste (127) und zweite (128) Reihe von Wicklungsabschnitten in bezüglich des Stators (100) radialer und/oder axialer (101) Richtung realisiert ist.
  3. Stator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen (126) zusätzlich durch Nähfaden, Garn und/oder ein physikalisch und/oder chemisch bindendes Bindemittel fixiert sind.
  4. Stator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wicklungskopf (120) zwischen der ersten Reihe von Wicklungsabschnitten (127) und der zweiten Reihe von Wicklungsabschnitten (128) zumindest eine weitere Reihe von Wicklungsabschnitten (129) aufweist, wobei die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen (126) in axialer Richtung (101) über die zumindest eine weitere Reihe (129) hinausragend, radial jedoch in derselben Ebene wie die weiteren Reihen (129) angeordnet sind.
  5. Stator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen (126) zumindest zwei Statornutbreiten und/oder zumindest 5°, 10°, 15° oder 30° in Umfangsrichtung verlaufen.
  6. Stator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wicklungskopf (120) eine Variation einer axialen Höhe von höchstens 20%, 15%, 10% oder 5% über den gesamten Umfang des Stators (100) aufweist.
  7. Stator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschnitte der Wicklungsanschlussleitungen (126) an keiner Stelle nach radial außen über die erste Reihe (127) oder nach radial innen über die zweite Reihe (128) von Wicklungsabschnitten hinausragen.
  8. Stator (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wicklungsdraht, aus dem die Wicklung (110) gefertigt ist, eine minimale Querschnittsfläche von über 0,5 mm2, 1 mm2, 2 mm2 oder 4 mm2 aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Stators (100) für eine elektrische Maschine, wobei eine Wicklung (110) in Nuten eines Statorkerns (102) angeordnet wird, wobei eine erste Reihe von Wicklungsabschnitten (127) in axialer Richtung (101) über den Statorkern (102) hinausragend radial außen und dazu radial beabstandet eine zweite Reihe von Wicklungsabschnitten (128) in axialer Richtung (101) über den Statorkern (102) hinausragend radial innen angeordnet werden, wobei die erste (127) und zweite (128) Reihe von Wicklungsabschnitten Abschnitte der Wicklungsdrähte umfassen, die Umkehrungen der Wicklungsdrähte bilden, wobei Abschnitte von Wicklungsanschlussleitungen (126) in Umfangsrichtung entlang des Statorkerns (102) zwischen der ersten (127) und der zweiten (128) Reihe angeordnet werden und wobei die erste und die zweite Reihe von Wicklungsabschnitten (127, 128) aufeinander zu gebogen werden, um die Abschnitte von Wicklungsanschlussleitungen (126) bezüglich des Statorkerns (102) radial und/oder axial zu fixieren.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner Schritte umfasst, die zur Herstellung eines Stators (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erforderlich sind.
  11. Elektrische Maschine mit einem Stator (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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