DE102020215853A1

DE102020215853A1 - Verbindungselement, Elektromotorsystem und Montageverfahren

Info

Publication number: DE102020215853A1
Application number: DE102020215853.3A
Authority: DE
Inventors: Marius Niggemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement (1) zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln eines Hairpins (2) eines Stators (3) eines Elektromotors (4) mit einer Stromschiene (5) einer Leistungselektronik zum Betreiben des Elektromotors (4), aufweisend einen ersten Elementabschnitt (6) und einen zweiten Elementabschnitt (7), wobei der erste Elementabschnitt (6) unter Ausbildung eines ersten Abwinklungsbereichs (8) mit einer ersten Abwinklungsachse (9) schräg zum zweiten Elementabschnitt (7) angeordnet ist, wobei der zweite Elementabschnitt (7) einen elektrischen Kopplungsbereich (10) zum elektrischen Koppeln mit einem Hairpinende (11) des Hairpins (2) aufweist, und wobei das Verbindungselement (1) im ersten Elementabschnitt (6) eine erste Durchführung (12) zum Durchführen des Hairpinendes (11) aufweist. Die erste Durchführung (12) erstreckt sich zumindest teilweise in den ersten Abwinklungsbereich (8) hinein. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektromotorsystem (19) und ein Verfahren zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln eines Hairpins (2) eines Stators (3) eines Elektromotors (4) mit einer Stromschiene (5) einer Leistungselektronik zum Betreiben des Elektromotors (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln eines Hairpins eines Stators eines Elektromotors mit einer Stromschiene einer Leistungselektronik zum Betreiben des Elektromotors. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektromotorsystem mit einem gattungsgemäßen Verbindungselement sowie ein Verfahren zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln eines Hairpins eines Stators eines Elektromotors mit einer Stromschiene einer Leistungselektronik zum Betreiben des Elektromotors.
Es sind Elektromaschinen mit einem Rotor und einem Stator bekannt, bei welchen Statorwicklungen des Stators durch stabförmig ausgebildete elektrische Leiter gebildet sind, welche auch als Hairpins bezeichnet werden. Die Hairpins sind in Statornuten des Stators angeordnet, wobei Hairpinenden der Hairpins beidseitig aus den Statornuten herausragen. Zur Ausbildung von Wicklungsschleifen der Statorwicklung sind viele der Hairpinenden jeweils paarweise elektrisch und mechanisch miteinander gekoppelt, beispielsweise durch Schweißen, Löten oder dergleichen. Dieser Bereich des Stators wird auch als Wickelkopf bezeichnet. Die Wicklungsschleifen der Statorwicklung sind auf mehrere elektrisch zueinander isolierte Phasen aufgeteilt, die somit unabhängig voneinander bestrombar sind. Üblicherweise weisen Elektromaschinen drei Phasen auf.
Zum elektrischen Koppeln mit der Leistungselektronik weist jede Wicklungsschleife mindestens zwei freie Hairpinenden auf. Die Leistungselektronik weist hierfür eine Stromschiene auf. Das Koppeln kann beispielsweise durch stoffschlüssiges Verbinden des Hairpinendes mit der Stromschiene, insbesondere durch Schweißen, Löten oder dergleichen erfolgen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass eine Demontage sehr aufwendig ist und die Komponenten hierbei beschädigt werden können.
Um ein direktes Koppeln der Hairpinenden mit der Stromschiene zu vermeiden, werden Verbindungselemente verwendet, welche an einer Stelle mit den Hairpinenden und an einer anderen Stelle mit der Stromschiene elektrisch sowie mechanisch koppelbar sind. Ein derartiges Verbindungselement ist beispielsweise aus der DE 10 2019 126 798 A1 bekannt.
Das dort offenbarte Verbindungselement weist mehrere kleinere Durchführungen auf, in welche jeweils ein Hairpinende eingeführt ist. Ferner sind die Hairpinenden mit dem Verbindungselement verschweißt. Überdies weist das Verbindungselement eine größere Durchführung zum Durchführen einer Befestigungsschraube zum Anschrauben an der Stromschiene auf. Die US 2018/0097416 A1 weist ein Verbindungselement auf, bei welchem mehrere Hairpinenden in eine sich quer zum Verbindungselement erstreckende Durchführung eingeführt sind. Eine ähnliche Ausführungsform ist aus der CN 110829659 A bekannt.
Die EP 3 154 162 A1 offenbart ein mehrteiliges Verbindungselement mit einem ersten Teilelement und einem zweiten Teilelement. Das erste Teilelement ist über eine Durchführung mit der Stromschiene verschraubbar. Das zweite Teilelement ist mir einem Hairpinende verbindbar. Über jeweils eine zusätzliche Durchführung sind das erste Teilelement und das zweite Teilelement miteinander verschraubbar. Bei der Ausführungsform gemäß der DE 10 2017 205 970 A1 werden die Teilelemente miteinander beispielsweise verschweißt.
Die voranstehend beschriebenen Verbindungselemente haben den Nachteil, dass eine Montage der Hairpinenden an den Verbindungselementen umständlich und somit zeitaufwendig sowie kostenintensiv ist. Zudem haben einige der Verbindungselemente den Nachteil, dass ein Toleranzausgleich zur Stromschiene nur innerhalb verhältnismäßig kleiner Fertigungstoleranzen möglich ist, sodass bei größeren Fertigungstoleranzen zusätzliche Richtprozesse durchgeführt werden müssen, wodurch wiederum zusätzliche Kosten verursacht werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Verbindungselement zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln eines Hairpins eines Stators eines Elektromotors mit einer Stromschiene einer Leistungselektronik zum Betreiben des Elektromotors zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verbindungselement, ein Elektromotorsystem und ein Verfahren zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln eines Hairpins eines Stators eines Elektromotors mit einer Stromschiene einer Leistungselektronik zum Betreiben des Elektromotors zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise eine verbesserte Montage der Hairpins an der Leitungselektronik gewährleisten.
Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch ein Elektromotorsystem mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 9 sowie durch ein Elemit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektromotorsystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verbindungselement zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln eines Hairpins eines Stators eines Elektromotors mit einer Stromschiene einer Leistungselektronik zum Betreiben des Elektromotors gelöst. Das Verbindungselement weist einen ersten Elementabschnitt und einen zweiten Elementabschnitt auf, wobei der erste Elementabschnitt unter Ausbildung eines ersten Abwinklungsbereichs mit einer ersten Abwinklungsachse schräg zum zweiten Elementabschnitt angeordnet ist. Der zweite Elementabschnitt weist einen elektrischen Kopplungsbereich zum elektrischen Koppeln mit einem Hairpinende des Hairpins auf. Ferner weist das Verbindungselement im ersten Elementabschnitt eine erste Durchführung zum Durchführen des Hairpinendes auf. Erfindungsgemäß erstreckt sich die erste Durchführung zumindest teilweise in den ersten Abwinklungsbereich hinein.
Das Verbindungselement ist zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln des Hairpins mit der Stromschiene ausgebildet. Hierfür weist das Verbindungselement vorzugsweise einen besonders gut elektrisch leitenden Grundwerkstoff, wie beispielsweise Kupfer oder dergleichen, auf. Überdies können noch elektrisch isolierende Werkstoffe am Verbindungselement angeordnet sein, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Das Verbindungselement weist den ersten Elementabschnitt und den zweiten Elementabschnitt auf. Der erste Elementabschnitt und der zweite Elementabschnitt sind vorzugsweise monolithisch miteinander ausgebildet. Vorzugsweise grenzt der erste Elementabschnitt direkt an den zweiten Elementabschnitt an. Vorzugsweise sind der erste Elementabschnitt und der zweite Elementabschnitt zur Verbesserung der elektrischen sowie mechanischen Kopplung jeweils zumindest überwiegend plattenförmig ausgebildet. Der erste Elementabschnitt ist schräg zum zweiten Elementabschnitt angeordnet. Ein Winkel zwischen dem ersten Elementabschnitt und dem zweiten Elementabschnitt beträgt vorzugsweise zwischen 45° und 135°, besonders bevorzugt etwa 90°. Vorzugsweise ist das Verbindungselement L-förmig ausgebildet. Es ist bevorzugt, dass der erste Elementabschnitt kürzer als der zweite Elementabschnitt ausgebildet ist.
Der erste Abwinklungsbereich bildet den Übergang zwischen dem ersten Elementabschnitt und dem zweiten Elementabschnitt. Vorzugsweise ist der erste Abwinklungsbereich teilweise im ersten Elementabschnitt und teilweise im zweiten Elementabschnitt ausgebildet. Die schräge Anordnung des ersten Elementabschnitts zum zweiten Elementabschnitt ist durch den Abwinklungsbereich realisiert. Der erste Abwinklungsbereich weist die erste Abwinklungsachse auf. Unter einer Abwinklungsachse ist im Rahmen der Erfindung eine Achse verstanden, welche quer zu einer Abwinklung in Breitenrichtung der Abwinklung verläuft. Durch die Abwinklungsachse ist somit eine räumliche Orientierung der Abwinklung beschreibbar.
Im ersten Elementabschnitt weist das Verbindungselement die erste Durchführung zum Durchführen des Hairpinendes auf. Erfindungsgemäß ist die erste Durchführung zumindest teilweise im ersten Abwinklungsbereich angeordnet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die erste Durchführung komplett im ersten Abwinklungsbereich angeordnet ist. Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die erste Durchführung vollständig im ersten Elementabschnitt angeordnet ist. Ein Erstrecken der ersten Durchführung in den ersten Abwinklungsbereich hinein bedeutet, dass die erste Durchführung die erste Abwinklungsachse von einer Seite umgibt und zumindest ein Teil der ersten Durchführung etwas um die erste Abwinklungsachse herum gekrümmt ist. Die erste Durchführung ist vorzugsweise zum Durchführen mehrerer Hairpinenden ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können mehrere, vorzugsweise entlang der ersten Abwinklungsachse angeordnete, erste Durchführungen erfindungsgemäß vorgesehen sein. Die erste Durchführung weist quer zur ersten Abwinklungsachse eine Breite auf, welche vorzugsweise größer als eine Breite des Hairpinendes ist. Vorzugsweise weist die erste Durchführung in Richtung vom zweiten Elementabschnitt zum ersten Elementabschnitt eine seitliche Verjüngung auf. Auf diese Weise sind das Hairpinende oder mehrere nebeneinander angeordnete Hairpinenden durch Verschwenken des Verbindungselements in der ersten Durchführung klemmbar.
Im zweiten Elementabschnitt ist der elektrische Kopplungsbereich zum elektrischen Koppeln mit dem Hairpinende angeordnet. Vorzugsweise ist der elektrische Kopplungsbereich plattenförmig ausgebildet, sodass eine Längsseite des Hairpinendes bei der Montage gegen den elektrischen Kopplungsbereich drückbar ist. Der elektrische Kopplungsbereich weist vorzugsweise ein schweißbares und/oder lötbares Material auf. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass am zweiten Elementabschnitt eine zweite Durchführung zum Durchführen eines Befestigungsmittels zum Fixieren des Verbindungselements an der Stromschiene ausgebildet ist.
Ein erfindungsgemäßes Verbindungselement hat gegenüber herkömmlichen Verbindungselementen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise das Einführen des Hairpinendes in die erste Durchführung und somit das elektrische sowie mechanische Koppeln des Hairpinendes mit dem Verbindungselement verbessert ist. Aufgrund der gekrümmten Ausbildung der ersten Durchführung ist das Hairpinende zum Einführen in die erste Durchführung in Richtung der ersten Abwinklungsachse schwenkbar. Das Einführen in die erste Durchführung ist somit erleichtert. Nach dem Einführen ist das Hairpinende zum zweiten Elementabschnitt hin sowie von der ersten Abwinklungsachse weg schwenkbar. Somit ist eine elektrische sowie mechanische Kopplung des Hairpinendes mit dem zweiten Elementabschnitt verbessert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verbindungselement vorgesehen sein, dass der erste Abwinklungsbereich als Kante und/oder gekrümmter Bereich ausgebildet ist. Ein als Kante ausgebildeter erster Abwinklungsbereich weist nahezu lediglich eine linienförmige Ausbildung mit Erstreckung quer zum Verbindungselement auf. Ein Radius des ersten Abwinklungsbereichs beträgt somit 0 mm. Die erste Abwinklungsachse liegt folglich auf dem ersten Abwinklungsbereich. Der plattenförmige erste Elementabschnitt und der plattenförmig ausgebildete zweite Elementabschnitt sind demnach direkt benachbart angeordnet. Ein derartiger Abwinklungsbereich ist beispielsweise durch Umformen eines Rohlings um eine Kante herstellbar. Ein als gekrümmter Bereich ausgebildeter erster Abwinklungsbereich weist eine Erstreckung quer zum Verbindungselement sowie in dessen Längsrichtung auf, wobei die Krümmung in Längsrichtung ausgebildet ist. Ein Radius des ersten Abwinklungsbereichs ist somit größer als 0 mm. Der Radius kann erfindungsgemäß im Krümmungsverlauf konstant oder veränderlich, wie beispielsweise zunehmend und/oder abnehmend, ausgebildet sein. Die erste Abwinklungsachse ist vom ersten Abwinklungsbereich beabstandet angeordnet. Ein derartiger Abwinklungsbereich ist beispielsweise durch Umformen eines Rohlings um eine Längsseite eines Zylinders herstellbar. Dies hat den Vorteil, dass das Verbindungselement mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise herstellbar und mit dem Hairpinende sowie der Stromschiene montierbar ist.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die erste Durchführung entlang der ersten Abwinklungsachse eine größere Erstreckung als quer zur ersten Abwinklungsachse aufweist.
Mit anderen Worten ist eine Erstreckung der ersten Durchführung quer zur Längsrichtung des Verbindungselements, also in Breitenrichtung des Verbindungselements, größer als die Erstreckung in Längsrichtung. Somit ist die erste Durchführung bevorzugt als Langloch ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Hairpinenden mehrerer Hairpins einer Phase in Breitenrichtung nebeneinander in der ersten Durchführung anordenbar sind. Die Hairpinenden sind vorher beispielsweise miteinander verbindbar, insbesondere verpressbar, verlötbar, verschweißbar oder dergleichen, und sind gleichzeitig in die erste Durchführung einführbar. Die Montage der Hairpinenden ist somit erheblich erleichtert.
Weiter bevorzugt erstreckt sich die erste Durchführung in den zweiten Elementabschnitt hinein. Hierbei sind zwei alternative Ausbildungen erfindungsgemäß vorgesehen. Die Erstreckung in den zweiten Elementabschnitt kann derart ausgebildet sein, dass die erste Durchführung den ersten Abwinklungsbereich nicht verlässt. Dies kann beispielsweise bei einem gekrümmten ersten Abwinklungsbereich vorgesehen sein, wobei die erste Durchführung innerhalb der Krümmung sowie im zweiten Elementabschnitt endet. Alternativ kann sich die erste Durchführung über den ersten Abwinklungsbereich hinweg in den zweiten Elementabschnitt erstrecken und im plattenförmigen Bereich des zweiten Elementabschnitts enden. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine erste Durchführung bereitgestellt ist, bei welcher die Hairpinenden in einem verhältnismäßig stark verschwenkten Zustand relativ zum plattenförmigen Bereich des zweiten Elementabschnitts einführbar sind. Das Einführen der Hairpinenden in die erste Durchführung ist somit erleichtert und erfordert weniger Geschick und Präzision. Hierdurch sind Montagezeit und Montagekosten weiter reduzierbar.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Verbindungselement vorgesehen sein, dass im zweiten Elementabschnitt ein aufschmelzbares Stoffschlussmaterial zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Hairpinende angeordnet ist. Das aufschmelzbare Stoffschlussmaterial ist vorzugsweise zum Aufschmelzen durch einen Lötprozess und/oder Schweißprozess ausgebildet. Weiter bevorzugt ist das Stoffschlussmaterial als Lötplättchen, vorzugsweise aus Lötzinn oder dergleichen, ausgebildet. Vorzugsweise ist das Stoffschlussmaterial durch ein thermisches Fügeverfahren am zweiten Elementabschnitt fixiert. Das Stoffschlussmaterial ist vorzugsweise vom Material des übrigen Verbindungselements verschieden ausgebildet. Das Stoffschlussmaterial ist auf einer Seite des zweiten Elementabschnitts angeordnet, welche einem durch die erste Durchführung durchgeführten Hairpinende zugewandt ist. Das Stoffschlussmaterial ist vorzugsweise derart am zweiten Elementabschnitt angeordnet, dass das in die erste Durchführung eingeführte Hairpinende durch Verschwenken mit dem Stoffschlussmaterial in Kontakt bringbar ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise das Fixieren des Hairpinendes am Verbindungselement verbessert ist.
Alternativ oder zusätzlich kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass am zweiten Elementabschnitt ein derartiger Deformationsbereich angeordnet ist, wobei der Deformationsbereich derart elastisch und/oder plastisch verformbar ausgebildet ist, dass das Hairpinende mittels des Deformationsbereichs am zweiten Elementbereich klemmbar ist. Hierdurch ist beispielsweise ein dauerhaftes Fixieren oder ein Vorfixieren des Hairpinendes am Verbindungselement zum Verbessern eines nachfolgenden stoffschlüssigen Fügeverfahrens gewährleistbar.
Vorzugsweise weist der erste Elementabschnitt eine kürzere Längserstreckung quer zur ersten Abwinklungsachse als der zweite Elementabschnitt auf. Vorzugsweise bilden der erste Elementabschnitt und der zweite Elementabschnitt ein L-förmiges Bauteil. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise äußere Abmessungen des Verbindungselements reduzierbar sind, wobei eine sichere Anbindung des Hairpinendes an den zweiten Elementabschnitt gewährleistet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann bei einem Verbindungselement vorgesehen sein, dass das Verbindungselement einen dritten Elementabschnitt und einen vierten Elementabschnitt aufweist, wobei der dritte Elementabschnitt und zweite Elementabschnitt zum gemeinsamen stoffschlüssigen Verbinden mittels eines Fügeverfahrens ausgebildet sind, und wobei der vierte Elementabschnitt eine zweite Durchführung zum Durchführen eines Befestigungsmittels, wie beispielsweise einer Schraube, eines Bolzens oder dergleichen, zum lösbaren Befestigen des Verbindungselements an der Stromschiene aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement vorzugsweise zweiteilig ausgebildet, wobei ein erstes Teilelement des Verbindungselements den ersten Elementabschnitt sowie den zweiten Elementabschnitt und ein zweites Teilelement des Verbindungselements den dritten Elementabschnitt und den vierten Elementabschnitt aufweist. Das erste Teilelement und das zweite Teilelement sind vorzugsweise separat voneinander ausgebildet. Der zweite Elementbereich und der dritte Elementbereich sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass ein Ausrichten des ersten Teilelements zum zweiten Teilelement mit mindestens zwei Freiheitsgraden, vorzugsweise zwei linearen Freiheitsgraden und weiter bevorzugt einem rotatorischen Freiheitsgrad, möglich ist, während der zweite Elementbereich und der dritte Elementbereich einander, vorzugsweise flächig, kontaktieren. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine elektrische und mechanische Kopplung der Leistungselektronik mit dem Elektromotor verbessert ist. Zunächst ist das erste Teilelement mit dem Hairpinende, insbesondere unlösbar, verbindbar. Anschließend ist das zweite Teilelement mit der Stromschiene lösbar verbindbar. Schließlich sind fertigungsbedingte Lagetoleranzen zwischen der Stromschiene und den Hairpins durch Ausrichten des ersten Teilelements zum zweiten Teilelement ausgleichbar und die beiden Teilelemente miteinander unlösbar verbindbar.
Besonders bevorzugt ist der vierte Elementabschnitt unter Ausbildung eines zweiten Abwinklungsbereichs mit einer zweiten Abwinklungsachse schräg zum dritten Elementabschnitt angeordnet. Hierbei ist es bevorzugt, dass im zusammengefügten Zustand das erste Teilelement und das zweite Teilelement derart zueinander ausgerichtet sind, dass der erste Elementabschnitt und der vierte Elementabschnitt auf derselben Seite vom zweiten Elementabschnitt und dritten Elementabschnitt angeordnet sind. Weiter bevorzugt ist in diesem Zustand ein Abstand eines Flächenmittelpunkts des vierten Elementabschnitts zu einem Flächenmittelpunkt des ersten Elementabschnitts kleiner als ein Abstand eines Flächenmittelpunkts des dritten Elementabschnitts zum Flächenmittelpunkt des ersten Elementabschnitts. Vorzugsweise sind in diesem Zustand der erste Elementabschnitt und der vierte Elementabschnitt parallel zueinander angeordnet. Das den dritten Elementabschnitt und den vierten Elementabschnitt aufweisende zweite Teilelement des Verbindungselements ist vorzugsweise L-förmig ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein besonders kompaktes Verbindungselement bereitgestellt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Elektromotorsystem gelöst. Das Elektromotorsystem weist einen Elektromotor mit einem Hairpins aufweisenden Stator und einer Leistungselektronik zum Bestromen des Stators auf, wobei die Leistungselektronik zur Herstellung einer elektrischen Kopplung mit den Hairpins eine Stromschiene aufweist. Erfindungsgemäß ist ein Hairpinende mindestens eines Hairpins über ein erfindungsgemäßes Verbindungselement mit der Stromschiene elektrisch und mechanisch gekoppelt.
Die erste Durchführung und das Hairpinende sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass das Hairpinende an einer dem zweiten Elementabschnitt abgewandten Wandung der ersten Durchführung und gleichzeitig am zweiten Elementabschnitt anliegt. Weiter bevorzugt sind die erste Durchführung und das Hairpinende derart ausgebildet, dass das Hairpinende in diesem Zustand am Verbindungselement gehalten ist, beispielsweise durch Klemmen. Das Hairpinende ist vorzugsweise durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, wie beispielsweise Schweißen, Löten oder dergleichen, am zweiten Elementabschnitt fixiert, Vorzugsweise sind mehrere Hairpinenden einer Phase des Stators in der ersten Durchführung angeordnet und am zweiten Elementabschnitt fixiert. Der vierte Elementabschnitt ist lösbar, vorzugsweise mittels einer in die zweite Durchführung eingeführten Schraube oder dergleichen, an der Stromschiene gehalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotorsystem ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Verbindungselement gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Elektromotorsystem gegenüber herkömmlichen Elektromotorsystemen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise das Hairpinende eine verbesserte mechanische Kopplung mit dem Verbindungselement aufweist. Aufgrund der gekrümmten Ausbildung der ersten Durchführung ist das Hairpinende zum Einführen in die erste Durchführung in Richtung der ersten Abwinklungsachse schwenkbar. Das Einführen in die erste Durchführung ist somit erleichtert. Nach dem Einführen ist das Hairpinende zum zweiten Elementabschnitt hin sowie von der ersten Abwinklungsachse weg schwenkbar. Somit ist eine elektrische sowie mechanische Kopplung des Hairpinendes mit dem zweiten Elementabschnitt verbessert.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln eines Hairpins eines Stators eines Elektromotors mit einer Stromschiene einer Leistungselektronik zum Betreiben des Elektromotors gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Verbindungselements,
- Anordnen des Verbindungselements zum einen Hairpinende mindestens eines Hairpins derart, dass der zweite Elementabschnitt des Verbindungselements schräge zu dem Hairpinende angeordnet ist,
- Auffädeln der ersten Durchführung des Verbindungselements auf das Hairpinende,
- Anordnen des Verbindungselement zu dem Hairpinende derart, dass der zweite Elementabschnitt des Verbindungselements parallel zu dem Hairpinende (11) angeordnet ist,
- Fixieren des zweiten Elementabschnitts des Verbindungselements an dem durch die erste Durchführung durchgeführten Hairpinendes, und
- Lösbares Fixieren des Verbindungselements an der Stromschiene der Leistungselektronik.

Zunächst wird das erfindungsgemäße Verbindungselement bereitgestellt. Hierbei wird beispielsweise ein einteiliges Verbindungselement mit dem ersten Elementabschnitt und dem zweiten Elementabschnitt oder ein zweiteiliges Verbindungselement bereitgestellt, wobei das zweiteilige Verbindungselement vorzugsweise ein erstes Teilelement mit dem mit dem ersten Elementabschnitt und dem zweiten Elementabschnitt sowie ein zweites Teilelement mit dem dritten Elementabschnitt und dem vierten Elementabschnitt aufweist.
Anschließend wird das Verbindungselement derart zum Hairpinende ausgerichtet, dass das Hairpinende in die erste Durchführung weist sowie schräg zum zweiten Elementabschnitt angeordnet ist. Hierbei weist das Hairpinende vom zweiten Elementabschnitt weg. Das bedeutet insbesondere, dass sich eine gedachte geradlinige Fortsetzung des Hairpinendes vom zweiten Elementabschnitt entfernt. Vorzugsweise siind mehrere Hairpinenden vorhanden, welche mit dem Verbindungselement verbunden werden sollen, insbesondere von Hairpin von einer Phase. Die Hairpinenden werden hierbei vorzugsweise nebeneinander angeordnet und in einer Richtung ausgerichtet. Dabei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Hairpinenden miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Crimpen, Schweißen, Löten oder dergleichen.
Im nächsten Schritt wird das Verbindungselement mit seiner ersten Durchführung auf das Hairpinende aufgefädelt. Die erste Durchführung erstreckt sich vorzugsweise derart in den ersten Abkantungsbereich des Verbindungselements, dass das Einführen des Hairpinendes durch Seitenwände der ersten Durchführung nicht behindert wird. Vorzugsweise wird in diesem Schritt das Verbindungselement auf mehrere Hairpinenden gleichzeitig oder sukzessive aufgefädelt eingeführt.
Anschließend wird das Verbindungselement derart zum Hairpinende verschwenkt, dass das Hairpinende parallel zu dem zweiten Elementabschnitt angeordnet ist. Hierbei gerät das Hairpinende vorzugsweise mit dem zweiten Elementabschnitt in einen linienförmigen Kontakt. Überdies gerät das Hairpinende hierbei vorzugsweise mit einer vom zweiten Elementabschnitt am weitesten entfernten Seitenwandung der ersten Durchführung in Kontakt, sodass das Hairpinende zwischen der Seiteiwandung und dem zweiten Elementabschnitt geklemmt ist.
In diesem Zustand wird der zweiten Elementabschnitt an dem Hairpinende fixiert, vorzugsweise durch Schweißen, insbesondere Punktschweißen, Löten, Crimpen oder dergleichen. Somit ist das Hairpinende stoffschlüssig oder zumindest formschlüssig mit dem zweiten Elementabschnitt mechanisch und elektrisch gekoppelt.
Vorteilhaft ist das Hairpinende bzw. die Hairpinenden wenigstens in manchen vorgehenden Schritten, insbesondere bei der vorhergehenden zwei Schritten, im Wesentlichen so horizontal angeordnet, dass sich der zweiter Elementabschnitt nach dem Verschwenken des Verbindungselements horizontal erstreckt und von oben auf dem Hairpinende anliegt bzw. sich über dem Hairpinende befindet. Durch Eigengewicht des eine Endkante des Hairpinendes überstehenden Bereichs des zweiten Elementabschnitts wird die Seitenwandung der Durchführung nach oben an das Hairpinende gedrückt und somit verklemmt, bevor diese gekoppelt sind. Somit wird die Position des Verbindungselements zu dem Hairpinende auch ohne zusätzliche Fixierungen gewährleistet und die Handhabung während der Montage vereinfacht ist. In einer vorteilhaften Variante sind die Hairpinenden von allen Phasen parallel zu der Symmetrieachse des Stators, d.h. der Drehachse des Rotors, ausgerichtet. In solchem Fall ist der Stator während der gegenständlichen Schritten so angeordnet, dass seine Symmetrieachse im Wesentlichen horizontal liegt und der zweite Elementabschnitt nach dem Verschwenken von oben auf dem Hairpinende aufliegt.
Schließlich wird das Verbindungselement, vorzugsweise mittels einer Schraube oder dergleichen, lösbar an der Stromschiene der Leistungselektronik fixiert. Diese Verfahrensschritte werden vorzugsweise für jede Phase des Elektromotors durchgeführt.
Bei Verwendung eines mehrteiligen Verbindungselements ist in diesem Zustand das erste Teilelement am Hairpinende und das zweite Teilelement an der Stromschiene fixiert. Anschließend erfolgt ein Ausrichten des ersten Teilelements mit dem zweiten Teilelement und ein, vorzugsweise stoffschlüssiges, Verbinden der Teilelemente miteinander, vorzugsweise durch Schweißen, Löten oder dergleichen. Fertigungstoleranzen sind somit leicht ausgleichbar, wobei eine Demontierbarkeit des Stators von der Leistungselektronik weiterhin gewährleistet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Verbindungselement gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie zu einem Elektromotorsystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise das Hairpinende eine verbesserte mechanische Kopplung mit dem Verbindungselement aufweist. Aufgrund der gekrümmten Ausbildung der ersten Durchführung ist das Hairpinende zum Einführen in die erste Durchführung in Richtung der ersten Abwinklungsachse schwenkbar. Das Einführen in die erste Durchführung ist somit erleichtert. Nach dem Einführen ist das Hairpinende zum zweiten Elementabschnitt hin sowie von der ersten Abwinklungsachse weg schwenkbar. Somit ist eine elektrische sowie mechanische Kopplung des Hairpinendes mit dem zweiten Elementabschnitt verbessert.
Ein erfindungsgemäßes Verbindungselement, ein erfindungsgemäßes Elektromotorsystem sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 in einer perspektivischen Ansicht eine bevorzugte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungselements,
2 in einer perspektivischen Ansicht das Heranführen eines Verbindungselements aus 1 an Hairpinenden einer Gruppe Hairpins,
3 in einer Seitenansicht mit den Verbindungselementen aus 1 gekoppelte Hairpins,
4 in einer perspektivischen Ansicht die mit Hairpins gekoppelten Verbindungselemente aus 3,
5 in einer perspektivischen Ansicht mit Hairpins gekoppelte Verbindungselemente gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung,
6 in einer perspektivischen Ansicht ein Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotorsystems, und
7 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 7 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine bevorzugte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungselements 1 schematisch in einer perspektivischen Ansicht. Das Verbindungselement 1 weist einen ersten Elementabschnitt 6 und einen zweiten Elementabschnitt 7 auf. Der Übergang zwischen dem ersten Elementabschnitt 6 und dem zweiten Elementabschnitt 7 ist als erster Abwinklungsbereich 8 mit einer ersten Abwinklungsachse 9 ausgebildet. Der erste Abwinklungsbereich 8 ist als Rundung ausgebildet und erstreckt sich über 90°. Das Verbindungselement 1 weist eine erste Durchführung 12 auf. Die erste Durchführung 12 erstreckt sich im Abwinklungsbereich 8 des ersten Elementabschnitts 6 und des zweiten Elementabschnitts 7. Ein dem ersten Elementabschnitt 6 benachbarter Bereich des zweiten Elementabschnitts 7 ist als elektrischer Kopplungsbereich 10 ausgebildet. Im elektrischen Kopplungsbereich 10 ist aufschmelzbares Stoffschlussmaterial 13 angeordnet.
In 2 ist das Heranführen eines Verbindungselements 1 aus 1 an Hairpinenden 11 einer Gruppe Hairpins 2 schematisch in einer perspektivischen Ansicht abgebildet. Der zweite Elementabschnitt 7 ist schräg zu den Hairpinenden 11 angeordnet. Die Hairpinenden 11 sind zum Einführen in die erste Durchführung 12 angeordnet.
3 zeigt mit den Verbindungselementen 1 aus 1 gekoppelte Hairpins 2 schematisch in einer Seitenansicht. Die Hairpinenden 11 kontaktieren den elektrischen Kopplungsbereich 10 des zweiten Elementabschnitts 7 des Verbindungselements 1 und eine Seitenwand 20 der ersten Durchführung 12 im ersten Elementabschnitt 6.
In 4 sind die mit Hairpins 2 gekoppelten Verbindungselemente 1 aus 3 schematisch in einer perspektivischen Ansicht abgebildet. Die Hairpinenden 11 der Hairpins 2 sind durch die erste Durchführung 12 durchgeführt und kontaktieren den zweiten Elementabschnitt 7 sowie den ersten Elementabschnitt 6
5 zeigt mit Hairpins 2 gekoppelte Verbindungselemente 1 gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer perspektivischen Ansicht. Die Verbindungselemente 1 sind zweiteilig ausgebildet und weisen zusätzlich zu den Merkmalen der Verbindungselemente 1 gemäß der bevorzugten ersten Ausführungsform einen mit dem zweiten Elementbereich 7 stoffschlüssig verbundenen dritten Elementabschnitt 14 sowie einen mit der Stromschiene 5 lösbar verbundenen vierten Elementabschnitt 15 auf. Der Übergang zwischen dem dritten Elementabschnitt 14 und dem vierten Elementabschnitt 15 ist als zweiter Abwinklungsbereich 17 mit einer zweiten Abwinklungsachse 18 ausgebildet. Der zweite Abwinklungsbereich 17 ist als Rundung ausgebildet und erstreckt sich über 90°. Im vierten Elementabschnitt 15 ist eine zweite Durchführung 16 zum Durchführen eines Befestigungsmittels, wie beispielsweise einer Schraube, zum Fixieren des Verbindungselements 1 an der Stromschiene 5 ausgebildet.
In 6 ist ein Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotorsystems 19 schematisch in einer perspektivischen Ansicht abgebildet. Hairpinenden 11 einiger Hairpins 2 eines Stators 3 eines Elektromotors 4 des Elektromotorsystems 19 sind über erfindungsgemäße Verbindungselemente 1 mit Stromschienen 5 einer nicht dargestellten Leistungselektronik des Elektromotorsystems 19 elektrisch und mechanisch gekoppelt.
7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einem Ablaufdiagramm. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird ein erfindungsgemäßes Verbindungselement 1 bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt 200 wird der zweite Elementabschnitt 7 des Verbindungselements 1 schräg zum einen Hairpinende 11 mindestens eines Hairpins 2 angeordnet. Das Verbindungselement 1 wird zudem derart angeordnet, dass das Hairpinende 11 auf die erste Durchführung 12 weist. In einem dritten Verfahrensschritt 300 wird das Verbindungselement 1 auf das Hairpinende 11 aufgefädelt, so das Hairpinende 11 in die erste Durchführung 12 eingeführt wird. In einem vierten Verfahrensschritt 400 wird das Verbindungselement 1 derart verschwenkt, dass das Hairpinende 11 den elektrischen Kopplungsbereich 10 des zweiten Elementabschnitts 7 des Verbindungselements sowie eine Seitenwand 20 der ersten Durchführung 12 kontaktiert. Der elektrische Kopplungsbereich 10 wird hierbei parallel zum Hairpinende 11 ausgerichtet. In einem fünften Verfahrensschritt 500 wird das Hairpinende 11 über das Stoffschlussmaterial 13 mit dem elektrischen Kopplungsbereich 10 stoffschlüssig verbunden. In einem sechsten Verfahrensschritt 600 wird das Verbindungselement 1 mittels einer Schraube an der Stromschiene 5 der Leistungselektronik lösbar fixiert. Vorteilhaft ist das Hairpinende 11 wenigstens bei dem vierten und fünftem Schritt horizontal angeordnet. In dem gezeigten Beispiel sind die Hairpinenden parallel zu der Symmetrieachse des Stators 3 ausgerichtet, also wird auch der Stator 3 horizontal angeordnet. Die horizontale Position des Stators 3 und der Hairpinenenden 11, sowie der von oben auf den Hairpinenden aufliegenden zweiten Elementabschnitten 7 ist aus der 3 erkennbar. Somit sind die Verbindungselemente 1 vor dem stoffschlüssigen Verbinden mit den Hairpinenden 11 durch das Eigengewicht der die Endkanten der Hairpinenden 11 überstehenden Bereichen der zweiten Elementabschnitte 7 fixiert, nämlich durch die somit nach oben gegen die Hairpinenden 11 gedrückte Seitenwand 20 verklemmt.
Bezugszeichenliste

1: Verbindungselement
2: Hairpin
3: Stator
4: Elektromotor
5: Stromschiene
6: erster Elementabschnitt
7: zweiter Elementabschnitt
8: erster Abwinklungsbereich
9: erste Abwinklungsachse
10: elektrischer Kopplungsbereich
11: Hairpinende
12: erste Durchführung
13: Stoffschlussmaterial
14: dritter Elementabschnitt
15: vierter Elementabschnitt
16: zweite Durchführung
17: zweiter Abwinklungsbereich
18: zweite Abwinklungsachse
19: Elektromotorsystem
20: Seitanwand
100: erster Verfahrensschritt
200: zweiter Verfahrensschritt
300: dritter Verfahrensschritt
400: vierter Verfahrensschritt
500: fünfter Verfahrensschritt
600: sechster Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019126798 A1 [0004]
US 2018/0097416 A1 [0005]
CN 110829659 A [0005]
EP 3154162 A1 [0006]
DE 102017205970 A1 [0006]

Claims

Verbindungselement (1) zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln eines Hairpins (2) eines Stators (3) eines Elektromotors (4) mit einer Stromschiene (5) einer Leistungselektronik zum Betreiben des Elektromotors (4), aufweisend einen ersten Elementabschnitt (6) und einen zweiten Elementabschnitt (7), wobei der erste Elementabschnitt (6) unter Ausbildung eines ersten Abwinklungsbereichs (8) mit einer ersten Abwinklungsachse (9) schräg zum zweiten Elementabschnitt (7) angeordnet ist, wobei der zweite Elementabschnitt (7) einen elektrischen Kopplungsbereich (10) zum elektrischen Koppeln mit einem Hairpinende (11) des Hairpins (2) aufweist, und wobei das Verbindungselement (1) im ersten Elementabschnitt (6) eine erste Durchführung (12) zum Durchführen des Hairpinendes (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Durchführung (12) zumindest teilweise in den ersten Abwinklungsbereich (8) hinein erstreckt.
Verbindungselement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abwinklungsbereich (8) als Kante und/oder gekrümmter Bereich ausgebildet ist.
Verbindungselement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Durchführung (12) entlang der ersten Abwinklungsachse (9) eine größere Erstreckung als quer zur ersten Abwinklungsachse (9) aufweist.
Verbindungselement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Durchführung (12) in den zweiten Elementabschnitt (7) hinein erstreckt.
Verbindungselement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Elementabschnitt (7) ein aufschmelzbares Stoffschlussmaterial (13) zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Hairpinende (11) angeordnet ist.
Verbindungselement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elementabschnitt (6) eine kürzere Längserstreckung quer zur ersten Abwinklungsachse (9) als der zweite Elementabschnitt (7) aufweist.
Verbindungselement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) einen dritten Elementabschnitt (14) und einen vierten Elementabschnitt (15) aufweist, wobei der dritte Elementabschnitt (14) und zweite Elementabschnitt (7) zum gemeinsamen stoffschlüssigen Verbinden mittels eines Fügeverfahrens ausgebildet sind, und wobei der vierte Elementabschnitt (15) eine zweite Durchführung (16) zum Durchführen eines Befestigungsmittels zum lösbaren Befestigen des Verbindungselements (1) an der Stromschiene (5) aufweist.
Verbindungselement (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Elementabschnitt (15) unter Ausbildung eines zweiten Abwinklungsbereichs (17) mit einer zweiten Abwinklungsachse (18) schräg zum dritten Elementabschnitt (14) angeordnet ist.
Elektromotorsystem (19), aufweisend einen Elektromotor (4) mit einem Hairpins (2) aufweisenden Stator (3) und einer Leistungselektronik zum Bestromen des Stators (3), wobei die Leistungselektronik zur Herstellung einer elektrischen Kopplung mit den Hairpins (2) eine Stromschiene (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hairpinende (11) mindestens eines Hairpins (2) über ein Verbindungselement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit der Stromschiene (5) elektrisch und mechanisch gekoppelt ist.
Verfahren zum elektrischen sowie mechanischen Koppeln eines Hairpins (2) eines Stators (3) eines Elektromotors (4) mit einer Stromschiene (5) einer Leistungselektronik zum Betreiben des Elektromotors (4), aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Verbindungselements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, - Anordnen des Verbindungselements (1) zum einen Hairpinende (11) mindestens eines Hairpins derart, dass der zweite Elementabschnitt (7) des Verbindungselements (1) schräg zu dem Hairpinende (11) angeordnet ist, - Auffädeln der ersten Durchführung (12) des Verbindungselements (1) auf das Hairpinende (11), - Anordnen des Verbindungselement (1) zu dem Hairpinende (11) derart, dass der zweite Elementabschnitt (7) des Verbindungselements (1) parallel zu dem Hairpinende (11) angeordnet ist, - Fixieren des zweiten Elementabschnitts (7) des Verbindungselements (1) an dem durch die erste Durchführung (12) durchgeführten Hairpinendes (11), und - Lösbares Fixieren des Verbindungselements (1) an der Stromschiene (5) der Leistungselektronik.