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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Isoliermaskeneinheit für einen mit Drahtwicklungen bewickelbaren Grundkörper einer elektrischen Maschine, ein Verfahren zum Bewickeln eines Grundkörpers der elektrischen Maschine sowie eine elektrische Maschine mit erfindungsgemäß ausgebildeten Isoliermaskeneinheiten.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2004 042 736 A1 der Anmelderin ist eine Isoliermaskeneinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Dabei sind jeweils mehrere Isoliermaskeneinheiten mit einer Innenseite eines Isolierrings verbunden. Die jeweils in etwa halbschalenförmig ausgebildeten Isoliermaskeneinheiten dienen dazu, stirnseitige Endbereiche von Zähnen eines Grundkörpers, welcher aus einer Vielzahl von ausgestanzten Blechteilen besteht, die übereinander angeordnet und miteinander verbunden sind, zu überdecken. Dadurch wird beim Bewickeln der Zähne des Grundkörpers mit Drahtwicklungen vermieden, dass es an den stirnseitigen Umlenkbereichen der Drahtwicklungen zu Kurzschlüssen zwischen den Drahtwicklungen und dem metallischen Grundkörper kommt. Da der Grundkörper, wie erwähnt, aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten und miteinander verbundenen, aus Blech bestehenden Stanzbauteilen besteht, ist es erforderlich, aufgrund der Bauteiltoleranzen des Grundkörpers die Isoliermaskeneinheit mit einer entsprechenden Maßtolerierung zu versehen, um eine zuverlässige beziehungsweise sichere Montage der Isoliermaskeneinheiten, insbesondere bei einer vollautomatischen Fertigung, zu ermöglichen. In der Praxis ist daher zwischen der einem Zahn des Grundkörpers zugeordneten Isoliermaskeneinheit und den gegenüberliegenden Seitenflächen des Zahns des Grundkörpers ein Luftspalt von typischerweise zwischen 0,3 mm und 0,6 mm ausgebildet, was durch eine entsprechend breit dimensionierte Innenweite der Isoliermaskeneinheit erfolgt. Dies führt dazu, dass zwischen den Seitenflächen des Zahns des Grundkörpers und der Aufnahme der Isoliermaskeneinheit Luftspalte ausgebildet sind. Derartige Luftspalte reduzieren die mögliche Wicklungsdichte des Grundkörpers.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße, einem Zahn eines Grundkörpers der elektrischen Maschine zugeordnete Isoliermaskeneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein mit derartigen Isoliermaskeneinheiten versehener Grundkörper eine höhere Wicklungsdichte aufweist und somit eine elektrische Maschine mit einem derartigen Grundkörper einen höheren elektrischen Wirkungsgrad beziehungsweise eine höhere elektrische Leistung (bei gleicher Baugröße) erzielt.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Isoliermaskeneinheit konstruktiv derart zu gestalten, dass die beim Stand der Technik aus Toleranzgründen des Grundkörpers benötigten Luftspalte zwischen den Seitenflächen des Zahns des Grundkörpers und der Isoliermaskeneinheit zumindest bei bewickeltem Zahn reduziert bzw. minimiert sind. Daher schlägt es die Lehre der Erfindung vor, die Isoliermaskeneinheit derart zu gestalten, dass die Isoliermaskeneinheit zwei schalenförmige Isolationselemente aufweist, die zumindest bereichsweise an den Seitenflächen des Zahns luftspaltfrei anlegbar sind.
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Dadurch, dass die erfindungsgemäße Isoliermaskeneinheit im Gegensatz zum Stand der Technik nicht aus einem halbschalenförmigen Element besteht, sondern zwei viertelschalenförmige Elemente aufweist, wird es ermöglicht, dass die Isoliermaskeneinheit an den Seitenflächen des Zahns nach dem Bewickeln zumindest bereichsweise unmittelbar am Zahn anliegt, sodass die Größe des Luftspalts verringert bzw. minimiert wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Isoliermaskeneinheit für einen Grundkörper einer elektrischen Maschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Eine erste, aus Handlings- beziehungsweise Fertigungsgründen besonders bevorzugte konstruktive Ausgestaltung der Isoliermaskeneinheit sieht vor, dass die beiden Isolationselemente unter Ausbildung eines Radialspalts zwischen den Isolationselementen mit einer Innenseite eines Isolierrings monolithisch verbunden sind, wobei der Radialspalt zwischen den Isolationselementen radial zu einer Längsachse des Isolierrings ausgerichtet ist. Die beiden Isolationselemente für jeden Zahn sind somit zusammen mit dem Isolierring als monolithisches, insbesondere als Kunststoffspritzgussteil ausgebildetes Bauteil ausgebildet. Dies ermöglicht es, in einem einzigen Montageschritt alle Zähne des Grundkörpers an einer Stirnseite mit den Isoliermaskeneinheiten zu überdecken bzw. zu verbinden.
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Um es bei der letztgenannten Bauform zu ermöglichen, dass nach dem Bewickeln der Zähne des Grundkörpers mit den Drahtwicklungen der im Montagezustand zwischen den beiden, einem Zahn zugeordneten Isolationselementen ausgebildete Radialspalt an der radialen Innenseite der Isoliermaskeneinheit vollständig (auf Null) reduziert wird, ist es vorgesehen, dass der Radialspalt entweder eine konstante Weite aufweist, oder dass sich die Weite des Radialspalts in Richtung zum Isolierring verringert, und dass die minimale Weite des Radialspalts zwischen 0,3mm und 0,6mm, vorzugsweise etwa 0,4mm beträgt.
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In einer alternativen konstruktiven Ausgestaltung der Isoliermaskeneinheit, die es ermöglicht, dass nach dem Bewickeln der Zähne des Grundkörpers mit den Drahtwicklungen die Isolationselemente über deren vollständige radiale Erstreckung an den Zähnen des Grundkörpers anliegen, ist es vorgesehen, dass die beiden Isolationselemente für einen Zahn dazu ausgebildet sind, mit einer dem Grundkörper zugewandten Innenfläche, vorzugsweise unter Zwischenlage eines Klebstoffs, an dem Grundkörper anzuliegen. Konkret bedeutet dies, dass die beiden Isolationselemente einer Isoliermaskeneinheit für einen Zahn als separate Bauteile, nicht über den Isolierring miteinander verbundene Bauteile ausgebildet sind, die durch separate Montageschritte mit einem Zahn an dessen Stirnseite verbunden werden. Die Montage erfolgt dabei derart, dass ein Bewickeln des Grundkörpers ermöglicht wird, ohne dass dabei die Isolationselemente verrutschen beziehungsweise eine Soll-Position verlassen. Hierzu ist es typischerweise erforderlich, die Isolationselemente beispielsweise unter Zwischenlage eines Klebstoffs, oder durch Heißverprägen oder durch sonstige Techniken zumindest zeitweise mit dem metallischen Grundkörper bzw. dessen Zähnen zu verbinden.
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Um beim Bewickeln eines Zahns des Grundkörpers eine Führung der Drahtwicklungen im Bereich der Isoliermaskeneinheit und somit eine möglichst parallele und dichte Anordnung der Drahtwicklungen zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass die beiden Isolationselemente einer Isoliermaskeneinheit Verlegenuten für die Drahtwicklungen und/oder wenigstens einen, in radialer und axialer Richtung den Querschnitt des Isolationselements überragenden Flanschabschnitt aufweist.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Bewickeln eines Grundkörpers einer elektrischen Maschine mit Drahtwicklungen mittels erfindungsgemäß ausgebildeter Isoliermaskeneinheiten, wobei die Isolationselemente monolithisch mit dem Isolierring verbunden sind. Das Verfahren umfasst zumindest folgende Schritte: Zunächst wird ein Grundkörper bereitgestellt. Anschließend erfolgt ein axiales Fügen von mit Isolationselementen versehenen Isoliermaskeneinheiten auf Zähne des Grundkörpers an gegenüberliegenden Stirnseiten des Grundkörpers. Zuletzt erfolgt ein Umwickeln der Zähne des Grundkörpers und der Isolationselemente mittels Drahtwicklungen, wobei sich ein Abstand zwischen den beiden Isolationselementen zumindest bereichsweise verringert, derart, dass die einem Zahn zugeordneten beiden Isolationselemente einer Isoliermaskeneinheit an Seitenflächen des Grundkörpers bereichsweise unmittelbar anliegen.
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Insbesondere ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die beiden Isolationselemente, die einem Zahn des Grundkörpers zugeordnet sind, in Bezug zu einer Längsachse des Grundkörpers an einer radial inneren Seite unmittelbar am Grundkörper anliegen.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens unter Verwendung von jeweils als separate Bauteile und mit dem jeweiligen Zahn des Grundkörpers zu verbindenden Isolationselementen ist es vorgesehen, dass zunächst ebenfalls ein Grundkörper bereitgestellt wird. Anschließend erfolgt ein Fügen und Verbinden zweier Isolationselemente an einem Zahn des Grundkörpers. Zuletzt erfolgt ein Umwickeln des Grundkörpers und der Isolationselemente mittels Drahtwicklungen.
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Insbesondere ist bei dem zuletzt genannten Vorschlag vorgesehen, dass die beiden, jeweils einem Zahn an einer Stirnseite des Grundkörpers zugeordneten Isolationselemente unter Zwischenlage eines Klebstoffs mit dem Grundkörper luftspaltfrei verbunden werden.
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Zuletzt umfasst die Erfindung auch eine elektrische Maschine, die erfindungsgemäße Isoliermaskeneinheiten aufweist beziehungsweise einen Grundkörper, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren bewickelt ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stators einer Innenläufer-Maschine,
- 2 eine ringförmige Isoliermaskeneinheit, wie sie bei dem Stator gemäß 1 verwendet wird, in einer perspektivischen Ansicht,
- 3 den Stator gemäß 1 mit zwei, an den Stirnseiten des Stators angeordneten Isoliermaskeneinheiten, ebenfalls in perspektivischer Ansicht,
- 4 ein Detail der 3 während des Bewickelns des Grundkörpers mit einer Drahtwicklung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,
- 5 eine Schnittdarstellung eines mit einer Drahtwicklung bewickelten Zahns eines Grundkörpers unter Verwendung einer modifizierten Isoliermaskeneinheit und
- 6 eine Seitenansicht auf eine Isoliermaskeneinheit gemäß der 5.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente beziehungsweise Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 sind Bestandteile einer elektrischen Maschine 100 dargestellt, die in Form eines Elektromotors beispielsweise Teil eines Komfortantriebs in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise eines Fensterheberantriebs, eines Sitzverstellungsantriebs, eines Schiebedachsantriebs oder ähnliches ist.
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Die elektrische Maschine 100 weist einen Grundkörper 12 auf, der beispielsweise als Stator einer Innenläufer-Maschine, zum Beispiel eines Gleichstrommotors, ausgebildet ist. Der Grundkörper 12 besteht aus magnetisch leitfähigem Material, der in bekannter Weise aus einer Vielzahl von zu einem Blechpaket zusammengesetzten Blechlamellen 13 (4, 5) besteht, sowie von lediglich in der 4 erkennbaren Drahtwicklungen 14. Zur erleichterten Aufbringung der Drahtwicklungen 14 auf den Grundkörper 12 ist der Grundkörper 12 geteilt und aus einem sogenannten Stator- oder Zähnestern 16 und einem den Zähnestern 16 radial außen umschließenden hohlzylindrischen Rückschlussjoch oder Rückschlussring 18 zusammengesetzt.
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Der Zähnestern 16 weist mehrere, in gleichmäßigen Winkelabständen um eine Längsachse 20 zueinander angeordnete Zähne 22 auf, die im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet sind. Die beiden gegenüber liegenden Stirnseiten 23, 24 des Zähnesterns 16 sind von jeweils einer Isoliermaskenbaueinheit 10 kappenförmig überdeckt.
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Die aus Kunststoff bestehende und im Spritzgussverfahren hergestellte Isoliermaskenbaueinheit 10, die in der 2 in Einzeldarstellung gezeigt ist, weist einen radial um die Längsachse 20 umlaufenden Isolierring 26 auf, an dem an einer radialen Innenseite 28 monolithisch angeformte Isolationsmaskenelemente 1 angeordnet sind. Dabei ist jeweils ein Isolationsmaskenelement 1 einem Zahn 22 des Zähnesterns 16 zugeordnet.
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Jede Isolationsmaskeneinheit 1 weist zwei, im Querschnitt in etwa viertelkreisförmig ausgebildete Isolationselemente 2, 3 auf. Weiterhin weist der Isolierring 26 beispielhaft auf der dem Grundkörper 12 abgewandten Seite Aufnahmen 32 zur steckbaren Anordnung von lediglich in der 1 dargestellten Kontaktfahnen 34 auf, die mit den Drahtwicklungen 14 elektrisch kontaktiert sind.
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Zwischen den beiden, einem Zahn 22 zugeordneten Isolationselementen 2, 3 ist ein beispielhaft eine konstante Weite zwischen 0,3mm und 0,6mm aufweisender Radialspalt 36 ausgebildet. Die dem Zahn 22 zugewandten Innenseiten der beiden Isolationselemente 2, 3 bilden eine Aufnahme 38 für den Zahn 22 aus, wobei aus Toleranzgründen der Zähne 22 zwischen der Aufnahme 38 und den Seitenflächen 37, 39 des Zahns 22 in noch nicht mit den Drahtwicklungen 14 versehenem Zustand ein Luftspalt 35 ausgebildet ist (4). Die Isolationselemente 2, 3 weisen darüber hinaus auf der dem Zahn 22 abgewandten (Außen-) Seite Verlegenuten 40 auf, in deren Bereich die jeweilige Drahtwicklung 14 formschlüssig aufgenommen ist. An einer radialen Innenseite der Isolationselemente 2, 3 sind darüber hinaus Flanschabschnitte 42 vorgesehen, die zusammen mit der Innenseite 28 des Isolierrings 26 beim Bewickeln der Isolationsmaskeneinheit 1 eine radiale Führung der Drahtwicklungen 14 bewirken.
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In der 3 ist der Zustand dargestellt, bei der eine Isoliermaskenbaueinheit 10 an der Stirnseite 23 des Grundkörpers 12 montiert bzw. aufgeschoben ist, wobei der Grundkörper 12 noch nicht mit den Drahtwicklungen 14 versehen ist. Weiterhin ist bereits der Rückschlussring 18 erkennbar, der jedoch erst nach dem Bewickeln des Grundkörpers 12 mit dem Zähnestern 16 verbunden wird. Insbesondere erkennt man, dass der Radialspalt 36 im Bereich der Zähne 22 jeweils eine konstante Weite bzw. Breite aufweist.
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In der 4 ist verdeutlicht, dass beim Bewickeln eines Zahns 22 mittels einer Drahtwicklung 14 von der Drahtwicklung 14 eine Zugkraft F auf das eine Isolationselement 2 (nachfolgend auch auf das andere Isolationselement 3) ausgeübt wird, die bewirkt, dass entsprechend des Pfeils 46 das Isolationselement 2 in Richtung des Zahns 22 gedrückt wird und somit die zwischen den Innenseiten bzw. der Aufnahme 38 der Isolationselemente 2, 3 und dem Zahn 22 ausgebildeten Luftspalte 35 reduziert werden. Dies ist möglich, da die beiden Isolationselemente 2, 3 in radialer Richtung betrachtet eine gewisse Elastizität aufweist, das diese nur an der Innenseite 28 mit dem Isolierring 26 verbunden sind und durch eine entsprechende Wanddicke des Kunststoffs eine elastische Deformation ermöglicht wird. Dadurch wird es ermöglicht, dass die beiden Isolationselemente 2, 3 auf deren radial inneren Seite (das heißt auf der von dem Isolierring 26 abgewandten Seite) bzw. der Längsachse 20 zugewandten Seite unmittelbar an dem Zahn 22 anliegen können, sodass in diesem Bereich die Größe des Luftspalts 35 und auch des Radialspalts 36 verringert wird. Wesentlich dabei ist auch, dass das radiale Bewickeln des Zahns 22 mittels der Drahtwicklung 14 zum Erzielen einer strammen Wicklung zunächst von der dem Isolierring 26 radial beabstandeten, das heißt der Längsachse 20 zugewandten Seite der Isolierbereich 2, 3 her in Richtung zum Isolierring 26 hin erfolgt.
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In den 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform einer Isoliermaskeneinheit 1a dargestellt. Die Isoliermaskeneinheit 1a besteht dabei aus zwei, einem Zahn 22 zugeordneten, als separate, d.h. nicht miteinander mittelbar (über einen Isolierring 26) verbundene Isolationselemente 2a, 3a. die jeweils im Querschnitt ebenfalls viertelkreisförmig ausgebildet sind. Die beiden Isolationselemente 2a, 3a sind dabei vorzugsweise unter Zwischenlage einer dünnen Kleberschicht 48 unmittelbar mit dem Zahn 22, d.h. luftspaltfrei des Grundkörpers 12 verbunden. Aus Gründen des Toleranzausgleiches ist dabei üblicherweise entsprechend der 5 ebenfalls ein Radialspalt 36 zwischen den beiden Isolationselementen 2a, 3a ausgebildet. Eine derartige Ausführungsform der Isoliermaskeneinheit 1a bewirkt, dass die beiden, einem Zahn 22 zugeordneten Isolationselemente 2a, 3a in Bezug zur Längsachse 20 in radialer Richtung über deren gesamte radiale Erstreckung (unter Zwischenlage der Kleberschicht 48) am Zahn 22 anliegen, sodass im Vergleich zum Isoliermaskeneinheit 1 ein nochmals höherer Wicklungsgrad der Drahtwicklung 14 erzielt werden kann. Die Verwendung der Isoliermaskeneinheit 1a erfordert im Vergleich zum Isoliermaskeneinheit 1 jedoch einen erhöhten Handlings- beziehungsweise Montageaufwand, da die beiden einem Zahn 22 zugeordneten Isolationselemente 2a, 3a jeweils an dem zugeordneten Zahn 22 vor dem Bewickeln fixiert werden müssen.
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Die soweit beschriebene Isoliermaskeneinheit 1, 1a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt beziehungsweise modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004042736 A1 [0002]
