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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Statoranordnungen für elektrische Maschinen, insbesondere Verbindungselemente, um die Statorspulen mit einem Steuergerät zu verbinden.
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Technischer Hintergrund
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Bei elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen werden die Statoranordnungen mit Statorspulen aufgebaut, die mithilfe eines elektronischen Steuergeräts angesteuert werden. Zur elektrischen Kontaktierung der Statorspulen sind diese über Verbindungselemente mit dem Steuergerät verbunden.
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Die Verbindungselemente sind jeweils einer Phase der elektrischen Maschine zugeordnet und sitzen an einer Stirnseite der Statoranordnung. Die Verbindungselemente sind in der Regel als Stanzteile ausgebildet. Diese werden stirnseitig in eine entsprechende Halterung eingesteckt, so dass diese den Spulendraht bzw. die Spulenanschlüsse der Statorspulen kontaktieren.
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Ferner weisen die Verbindungselemente vorstehende Kontaktstifte auf, um eine einfache elektrische Kontaktierung der Statorspulen über die Verbindungselemente zu ermöglichen.
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Üblicherweise sind die Verbindungselemente recht komplex und erstrecken sich über einen großen Winkelbereich an der Stirnseite der Statoranordnung. Dabei können sich diese in den überdeckten Winkelbereichen überlappen, was eine unterschiedliche Ausgestaltung der Verbindungselemente notwendig macht.
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Die Herstellung und Montage der Verbindungselemente stellen jedoch einen hohen Kostenfaktor bei der Herstellung von elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen dar.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verbindungselemente zum Kontaktieren von Statorspulen so auszubilden, dass diese kostengünstiger mit geringerem Materialverbrauch ausgebildet werden können, und die insbesondere in einfacherer Weise montiert werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Statoranordnung für eine elektrische Maschine mit Verbindungselementen gemäß Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Statoranordnung für eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine mit einem zylindrischen Statorkörper vorgesehen, der in Umfangsrichtung beabstandete Statorzähne aufweist, wobei die Statorzähne einzeln mit Statorspulen insbesondere mit einem durchgehenden Spulendraht bewickelt sind, um mehrere Phasenstränge auszubilden, wobei zum Kontaktieren von Phasen der Statoranordnung Verbindungselemente vorgesehen sind, die jeweils den Spulendraht an mehreren Kontaktstellen zwischen zwei Statorzähnen kontaktieren, um die Statorspulen in einer Dreiecksverschaltung zu verschalten, wobei die Phasenstränge Parallelschaltungen jeweils aus einer oder einer Serienschaltung von mehreren Statorspulen aufweisen.
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Beim Aufbau von Statoranordnungen für elektronisch kommutierte elektrische Maschinen wird zunächst ein Statorkörper bewickelt, um Statorspulen auszubilden. Der Statorkörper weist dazu in Umfangsrichtung beabstandete Statorzähne auf, die häufig nacheinander mit einem durchgehenden Spulendraht bewickelt werden. Die Verschaltung der Statorspulen erfolgt durch geeignete Kontaktierung eines zwischen zwei nacheinander bewickelten Statorspulen befindlichen Abschnitt des Spulendrahts und gegebenenfalls durch Auftrennung dieses Spulendrahts, um zwei benachbarte Statorspulen voneinander zu trennen.
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Stirnseitig der so gewickelten Statorkörper wird ein Halte- und Isolationselement aufgebracht, das den Spulendraht zwischen den Statorspulen führt und auf das Verbindungselemente eingesetzt werden, um den Spulendraht elektrisch zu kontaktieren.
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Die Verbindungselemente können als Stanzteile mit Kontaktierungen zum Kontaktieren der Kontaktstellen jeweils mit einem Klemmelement ausgebildet sein, wobei die Kontaktstellen Taschen aufweisen, durch die der Spulendraht geführt ist, wobei die Klemmelemente in den Taschen aufgenommen sind und den Spulendraht durch Klemmen kontaktieren. So können die Verbindungselemente geeignete Kontaktierungen zum Herstellen von Schneid-Klemmverbindungen aufweisen, um den Spulendraht an geeigneten Kontaktstellen zu kontaktieren. Weiterhin können die Verbindungselemente einen insbesondere von dem Stator wegweisenden Anschlussstift zum Bestromen bzw. Anschließen eines Steuergeräts aufweisen.
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Eine Idee der obigen Statoranordnung besteht nun darin, die Statorspulen in einer Dreieckschaltung mit jeweils zwei parallelgeschalteten Phasensträngen aus jeweils einer oder mehreren seriell verschalteten Statorspulen anzuordnen. Dazu werden die Parallelschaltungen der jeweils zwei Phasenstränge durch die Verbindungselemente realisiert. Die Verbindungselemente kontaktieren den Spulendraht jeweils an Spulenanschlüssen von zwei benachbarten Statorspulen.
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Dies ermöglicht Verbindungselemente mit geringer Größe, die ein Winkelsegment der Statoranordnung überdecken, das sich mit keinem Winkelsegment eines weiteren Verbindungselements überschneidet und so eine Überlappung der Verbindungselemente vermeidet. Dadurch kann die Größe der Verbindungselemente minimiert werden. Dies ermöglicht es, kleinere Stanzteile für die Verbindungselemente zu verwenden, wodurch Material und Kosten eingespart werden können.
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Dadurch, dass sich die Verbindungselemente nicht überlappen, ist ein zusätzlich zum Halte- und Isolationselement vorgesehenes Isolationsteil nicht notwendig, das sich überlappende Verbindungselemente voneinander elektrisch isoliert. Auch ist die Höhe der Verbindungselemente an der Stirnseite der Statoranordnung relativ gering, da die Verbindungselemente nicht übereinanderliegen.
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Um die obige Dreiecksverschaltung mit parallelen Phasensträngen zu realisieren, können die Phasenstränge jeweils eine Anzahl von gleichermaßen beabstandeten, seriell verschalteten Statorspulen aufweisen. Die Bewicklung der Statorspulen kann so erfolgen, dass die Kontaktstellen jeweils eines der Verbindungselemente eine Gruppe von einer oder mehreren seriell verschalteten Statorspulen in einem Bereich der Statorspulen kontaktieren, wobei die Kontaktstellen des betreffenden Verbindungselementes um eine maximale Anzahl von Statorspulen, insbesondere von zwei Statorspulen, voneinander beabstandet sind, wobei die maximale Anzahl dem um 2 verringerten Quotienten zwischen der gesamten Anzahl der Statorzähne und der Anzahl der Phasen entspricht.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Verbindungselemente den Spulendraht nur an Kontaktstellen innerhalb eines Winkelbereichs kontaktieren, wobei der Winkelbereich kleiner ist als ein Quotient von 360° und der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine.
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Für eine Statoranordnung mit zwölf Statorzähnen kann die Bewicklung so durchgeführt werden, dass die Kontaktstellen eines Verbindungselements um genau zwei Statorzähne zueinander versetzt ist. Somit nimmt ein Verbindungselement zum Ausbilden eines Phasenanschlusses nur einen geringen Winkelsegmentbereich der Statoranordnung ein, und eine Überlappung wird ausgeschlossen.
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Die Statoranordnung kann mit einem Wicklungsschema bewickelt sein, bei dem ausgehend von einem ersten zu bewickelnden Statorzahn die Abstände zu einem jeweils nächsten zu bewickelnden Statorzahn im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gemäß einem Muster der Schrittweiten entsprechen: i - k - (-i) - k - i - (-k) ..., die Statorzähne umlaufend nummeriert sind und negative Vorzeichen einer Umkehr der Richtung der Bewicklung der Statorspulen entsprechen.
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Insbesondere kann i=3 und k=2 und das Wicklungsschema 2-11-1-4-6-3-5-8-10-7-9-12 bezüglich der Nummern der Statorzähne in umlaufender Zählrichtung sein.
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Die Verbindungselemente sind als Stanzteile mit einem kreissegmentförmigen Basisteil ausgebildet, von denen abstehende Kontaktierungen ausgehen. Zusätzlich kann ein abstehender Anschlussstift vorgesehen sein, um den entsprechenden Phasenanschluss mit einem Steuergerät zu verbinden.
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Von dem Basisteil gehen Kontaktierungen aus, die geeignet sind, den Spulendraht zwischen jeweils zwei Statorspulen zu kontaktieren. Die Kontaktierungen des Verbindungselements sind um jeweils eine Statorspule zueinander versetzt. Für eine 12-zahnige Statoranordnung ist am Ein- und Ausgang der Spulenanordnung ein Verbindungselement mit drei Kontaktierungen notwendig, die entsprechend um jeweils eine Statorspule zueinander versetzt angeordnet sind. Die übrigen Phasenanschlüsse sind durch Verbindungselemente vorgesehen, die jeweils um zwei Statorspulen zueinander versetzt sind. Diese letzteren Verbindungselemente können baugleich zu dem Verbindungselement mit drei Kontaktierungen ausgebildet sein und einer der Kontaktierungen, insbesondere die mittlere der Kontaktierungen nach dem Stanzprozess entfernt werden. Dies erleichtert die Herstellung der Verbindungselemente als Stanzteil und deren Montage erheblich.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Statoranordnung 12 Statorzähne aufweist und die Verbindungselemente jeweils einen Winkelbereich von drei Statorzähnen überdecken.
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Mindestens zwei der Verbindungselemente können identisch ausgebildet sein, Kontaktierungen zum Kontaktieren des Spulendrahts an den Kontaktstellen aufweisen und mit einem Phasenanschluss ausgebildet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Verbindungselement, das ein Ende des durchgehenden Spulendrahts kontaktiert, eine zusätzliche Kontaktierung für das Ende des Spulendrahts aufweist.
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Weiterhin können die Verbindungselemente als Stanzteile mit Kontaktierungen zum Kontaktieren der Kontaktstellen jeweils mit einem Klemmelement ausgebildet sein, wobei die Kontaktstellen Taschen aufweisen, durch die der Spulendraht geführt ist, wobei die Klemmelemente in den Taschen aufgenommen sind und den Spulendraht durch Klemmen kontaktieren.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung auf eine Statoranordnung einer elektrischen Maschine;
- 2 eine vergrößerte Darstellung eines Verbindungselements zur Realisierung eines Phasenanschlusses für in einer Dreiecksschaltung verschaltete Statorspulen;
- 3 eine schematische Darstellung eines Verbindungselements als Stanzteil, und
- 4 eine schematische Darstellung der Verschaltung der Statorspulen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Statoranordnung 1 einer elektrischen Maschine. Die Statoranordnung 1 ist als Stator einer Innenläufermaschine mit beispielhaft zwölf Statorzähnen 2 ausgebildet. Die Statorzähne sind jeweils mit einer Statorspule 3 aus einem Spulendraht 5 umwickelt.
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Die Statoranordnung 1 ist Teil einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine, wobei die Statorspulen 3 phasenweise angesteuert werden. Insbesondere kann die Statoranordnung 1 dreiphasig ausgebildet sein, wobei die Statorspulen 3 in einer Dreiecksverschaltung verschaltet sind.
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Die Phasenanschlüsse werden jeweils durch ein Verbindungselement 4 bereitgestellt, das beispielhaft in 2 näher dargestellt ist. Die Verbindungselemente 4 sind stirnseitig der Statoranordnung 1 angeordnet und kontaktieren den zwischen jeweils zwei Statorspulen 3 befindlichen Abschnitt des Spulendrahts 5 bzw. die Endanschlüsse des Spulendrahts 5 mit entsprechenden Kontaktierungen 41. Die Kontaktierungen 41 sind über ein Basisteil 42 miteinander verbunden, von dem ein Anschlussstift 43 absteht, über den die Statorspulen 3 von außen kontaktierbar sind.
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Die Verbindungselemente 4 sind im Wesentlichen gleichartig aufgebaut und können aus identischen Stanzteilen gebildet sein, die in 2 dargestellt sind. 3 zeigt die Stanzform für die Verbindungselemente 4.
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Die Verbindungselemente 4 umfassen Verbindungselemente 4a mit zwei Kontaktierungen 41 und Verbindungselemente 4b mit drei in Reihe angeordneten Kontaktierungen 41. Beide Formen sind aus den identischen Stanzteilen der 2 gebildet, wobei das Verbindungselement 4b mit zwei Kontaktierungen 41 durch Entfernen der mittleren Kontaktierung hergestellt werden kann.
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Die Kontaktierungen 41 können als Klemmkontaktierungen vorgesehen sein, die den Spulendraht 5, der sich jeweils zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 2 erstreckt, klemmen. Insbesondere können die Kontaktierungen 41 mit Klemmelementen versehen sein, die zum Eingreifen in Taschen 6 an dem Statorkörper 1 ausgebildet sind. Die Taschen 6 bilden die Kontaktstellen zwischen jeweils zwei benachbarten Statorspulen 3 für den Spulendraht 5.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Verschaltung für eine zwölfzahnige Statoranordnung 1, wobei vier äquidistant in Umfangsrichtung verteilte Statorspulen 3 als Gruppe verschaltet sind. Die Gruppen weisen jeweils eine Parallelschaltung aus zwei seriellen Strängen zu jeweils zwei Statorspulen 3 auf.
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Bei umlaufender Zählung sind die Statorzähne 2 entsprechend von 1 - 12 nummeriert. Die Statorzähne 2 sind in der schematischen Darstellung der 4 als Kästchen mit der Nummer des symbolisierten Statorzahns 2 gezeigt.
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Das Bewickeln der Statorzähne 2 wird mit einem umlaufenden, ununterbrochenen Spulendraht 5 durchgeführt. Die Bewicklung erfolgt entsprechend einem Wicklungsmuster zweimalig entlang der Umfangsrichtung im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn. Insbesondere erfolgt die Bewicklung der Statorzähne 2 gemäß nachfolgend beschriebenen Muster, wodurch es möglich ist, eine Kontaktierung über die Phasenanschlüsse innerhalb von zwei benachbarten Statorzähnen 2 zu erreichen.
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Dies ermöglicht es, die Verbindungselemente 4 so auszubilden, dass diese ein relativ geringes, im vorliegenden Fall ein lediglich drei Statorspulen überdeckendes Winkelsegment in Umfangsrichtung überdecken müssen.
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Eine Bewicklung der Statorzähne 2 kann gemäß einem Muster erfolgen, bei dem ausgehend von einer ersten zu bewickelnden Statorzahn (Nummer 2 im gezeigten Beispiel) die Sprünge zu einem nächsten Statorzahn 2 gemäß folgendem Schrittmuster erfolgen: i - k - (-i) - k - i - k - (-i) ..., wobei i und k ganzzahlig sind.
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Beispielsweise kann eine Bewicklung eine Statoranordnung 1 mit zwölf Statorzähnen 2 entsprechend dem Bewicklungsschema erfolgen, wie folgt:
wobei i=3 und k=2 ist.
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Die Anordnung der Statorspulen 3, die einer Phase zugeordnet sind, (z.B. Statorspulen 1 - 4 - 7 - 10) kann beliebig definiert sein. Auch kann die Anzahl paralleler Gruppen unterschiedlich sein, 4-fach parallel-, 2fach parallel- und 4-fach Reihenschaltung.
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Dadurch, dass der Spulendraht 5 zwischen zwei Statorspulen 3 sowohl unmittelbar an der einen Statorspule 3 als auch an der anderen Statorspule 3 kontaktieren kann, ist es mit dieser Bewicklung möglich, die Verbindungselemente 4 baulich reduziert auszubilden.
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Bei anderen Statoranordnungen mit abweichender Zahl von Statorzähnen 2 entspricht i der Anzahl der Phasen und k der Anzahl der Statorzähne 2 dividiert durch 2 und geteilt durch die Anzahl der Phasen.
