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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verschaltungsring zum Verschalten von Wicklungsdrähten eines Stators einer elektrischen Maschine umfassend eine Hochvolt-Stromschiene zur elektrischen Kontaktierung einer elektrischen, ggf. isolierten, Leitung mit zwei zueinander benachbarten distalen Endabschnitten eines Ringleiters, insbesondere eines Ringleiters eines Verschaltungsrings. In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine elektrische Maschine umfassend den erfindungsgemäßen Verschaltungsring, der axial auf dieser aufgesetzt ist.
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Permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) werden bereits in vielen industriellen Anwendungen und im Zuge der geplanten vollständigen Elektrifizierung zunehmend auch in der Automobilindustrie eingesetzt. Eine solche permanenterregte Synchronmaschine weist in der Regel einen zu bestromenden Stator und einen permanenterregten Rotor auf. Der Stator umfasst u.a. eine Drahtwicklung, einen Statorträger, einen Verschaltungsring sowie ein Terminal für die Leistungselektronik.
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Elektrische Maschinen mit einer konzentrierten Wicklung können eine unterschiedliche Anzahl an sog. Statorzähnen aufweisen. In der Regel bilden drei dieser aufeinanderfolgenden Statorzähne ein Polpaar. Bei elektrischen Maschinen mit konzentrierter Wicklung und einer Sternverschaltung müssen die einzelnen Polpaare elektrisch miteinander verbunden werden, wobei die Zugänglichkeit dieses Sternpunktes oft durch den Bauraum begrenzt ist.
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Derartige Komponenten sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart beispielsweise die
DE 10 2011 018637 A1 einen Verschaltungsring für einen segmentierten Stator einer elektrischen Maschine, der je ein Kontaktierungselement für jede mit der elektrischen Maschine zu kontaktierender elektrischer Phase umfasst.
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Ferner ist aus der
DE 10 2011 107022 A1 eine Kontaktierungsvorrichtung zur Kontaktierung isolierter elektrischer Leitungen oder Kabel, insbesondere zumindest einer Spulenwicklung, bekannt.
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Nach dem Stand der Technik gibt es unterschiedliche Möglichkeiten die Verschaltung zu realisieren. Ein Verschaltungsring besteht in der Regel aus einem Kunststoffelement und weist mehrere Ringleiter auf (im Regelfall für die Phase U, für die Phase V und für die Phase W), deren Enden mit einer Stromschiene verbunden werden. Dabei bedarf es einer hohen Positionierungsgenauigkeit, präziser Einzelteiltoleranzen sowie mehrerer Schweiß- und Verbindungsstellen. Je nach eingesetztem Schweißverfahren kann die Schweißverbindung ein zusätzliches Material erfordern, wie beispielsweise ein Lotflussmittel.
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Der Schweißprozess bedingt ein Aufschmelzen der miteinander zu verbindenden Werkstoffe, ggf. unter Einsatz eines zusätzlichen Lotflussmittels, um eine stoffschlüssige Verbindung zu erhalten. Hierzu muss eine erhebliche Temperatur eingebracht werden, um die entsprechenden Werkstoffe oder Materialien aufzuschmelzen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Verschaltungsring zum Verschalten von Wicklungsdrähten eines Stators einer elektrischen Maschine umfassend eine Hochvolt-Stromschiene zur elektrischen Kontaktierung einer elektrischen, ggf. isolierten, Leitung mit zwei zueinander benachbarten distalen Endabschnitten eines Ringleiters, bereitzustellen, insbesondere eine Hochvolt-Stromschiene bereitzustellen, bei der der infolge eines Schweißprozesses eingebrachte Wärmeeintrag optimal verteilt wird.
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In einem weiteren Aspekt ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt durch einen Verschaltungsring mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Hochvolt-Stromschiene ist zur elektrischen Kontaktierung einer elektrischen, ggf. isolierten, Leitung mit zwei zueinander benachbarten, distalen Endabschnitten eines Ringleiters vorgesehen, und umfasst im Bereich ihres ersten distalen Endes einen Anschluss zum Verbinden dieser mit der elektrischen Leitung. An ihrem gegenüberliegenden zweiten Ende gabelt sich die Hochvolt-Stromschiene zumindest zweizinkig, derart, dass jeder der zumindest zwei Gabelzinken eine separate Kontaktfläche ausbildet, die zum stoffschlüssigen Verbinden mit jeweils einem der distalen Endabschnitte des Ringleiters vorgesehen ist.
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Der Verschaltungsring ist zum Verschalten von Wicklungsdrähten eines Stators einer elektrischen Maschine vorgesehen und umfasst erfindungsgemäß einen ringförmigen Kunststoffkörper mit zumindest drei Ringleitern, wobei jeder der zumindest drei Ringleiter in einer ringförmig ausgebildeten Nut angeordnet ist, und wobei jeder der zumindest drei Ringleiter jeweils zwei zueinander benachbarte, distale Endabschnitte umfasst, die jeweils mit der erfindungsgemäßen Hochvolt-Stromschiene stoffschlüssig verbunden sind.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kennzeichnet sich dadurch, dass diese den erfindungsgemäßen Verschaltungsring aufweist, der axial aufgesetzt ist.
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Dadurch, dass jeder der zumindest zwei Gabelzinken der Hochvolt-Stromschiene eine separate Kontaktfläche ausbildet, die zum stoffschlüssigen Verbinden mit jeweils einem der distalen Endabschnitte eines Ringleiters vorgesehen ist, kann sich der Wärmeeintrag, der infolge des Schweißprozesses lokal eingebracht wird, besser verteilen, so dass die Randzone eine für den Schweißprozess optimale Temperatur erreicht.
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Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, bei der die Kontaktfläche der Hochvolt-Stromschiene sich für die beiden distalen Enden der Ringleiter nicht gabelt, sondern eine durchgängige Fläche ausbildet, wird die eingebrachte Wärmeenergie weniger gestreut. Durch die kleinere Fläche wird zudem der Wärmeabfluss reduziert, so dass insgesamt weniger Energie zur Durchführung des Schweißprozesses erforderlich ist und ferner die Prozesszeiten merklich verkürzt werden können. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Prozesskosten aus.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Sofern als bevorzugten Schweißverfahren ein Laserschweißprozess zur Verbindung der Ringleiter mit der Stromschiene vorgesehen ist, so werden die Werkstoffe, die typischerweise aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung gebildet sind, direkt miteinander stoffschlüssig, also ohne zusätzliche Mittel, verbunden, indem diese aufgeschmolzen werden. Alternativ kann auch ein Lotflussmittel verwendet werden. Hierbei werden nicht die beiden Werkstoffe direkt aufgeschmolzen, sondern das Lotflussmittel, welches zwischen den beiden Flächen von Ringleiter und Stromschiene und/oder an diesen beiden Flächen aufgeschmolzen wird und diese miteinander sodann verbindet. Die Kontaktflächen der jeweiligen Gabelzinken der Hochvolt-Stromschiene können daher von einer Stirnfläche und/oder einem Abschnitt einer Mantelfläche des jeweiligen Gabelzinkens gebildet werden.
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Zur Verbindung der Hochvolt-Stromschiene mit einer Leistungselektronik umfasst der, im Bereich des ersten distalen Endes angeordnete, Anschluss vorteilhafterweise eine Gewindebuchse auf.
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Innerhalb des Verschaltungsrings erstrecken sich die beiden distalen Endabschnitte eines jeden Ringleiters parallel zueinander und senkrecht zur Lageanordnung eines jeweiligen in der ringförmigen Nut angeordneten Restabschnitts des Ringleiters. Hierdurch kann die Hochvolt-Stromschiene über die Kontaktflächen der beiden Gabelzinken an die distalen Endabschnitte der jeweiligen Ringleiter angelegt und sodann mit diesen verschweißt werden. Das Kontaktieren der Hochvolt-Stromschiene mit dem Ringleiter kann über einen Abschnitt einer zu dem jeweiligen distalen Endabschnitt des Ringleiters orientierten Mantelfläche des jeweiligen Gabelzinkens erfolgen, die sodann an diesem anliegt, und vorzugsweise mit diesem stoffschlüssig verbunden, besonders bevorzugt mit diesem verschweißt, ist. Das stoffschlüssige Verbinden kann, wie bereits erläutert, direkt oder über ein Lotflussmittel erfolgen.
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Ergänzend und/oder alternativ können die zwei separaten Kontaktflächen der Hochvolt-Stromschiene von jeweils einer Stirnfläche des jeweiligen Gabelzinkens ausgebildet sein, die jeweils über eine Schweißnaht mit jeweils einer Ringleiterstirnfläche des jeweiligen distalen Endabschnitts des Ringleiters stoffschlüssig verbunden ist.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsvariante einer Hochvolt-Stromschiene, die mit den distalen Enden eines Ringleiters direkt stoffschlüssig verbunden ist,
- 2 die in 1 gezeigte Hochvolt-Stromschiene, die über ein Lotflussmittel mit den distalen Enden eines Ringleiters stoffschlüssig verbunden ist,
- 3 die in 1 gezeigte Hochvolt-Stromschiene, die über ein Lotflussmittel mit den distalen Enden eines Ringleiters stoffschlüssig verbunden ist, wobei die Verbindung in Form einer Schweißnaht ausgebildet ist,
- 4 eine Ausführungsvariante eines Verschaltungsrings, und
- 5 einen Teil des in 4 gezeigten Verschaltungsring mit den Hochvolt-Stromschienen.
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In 1 ist eine Ausführungsvariante einer Hochvolt-Stromschiene 1 gezeigt, die mit distalen Enden 2, 3 eines Ringleiters 4 stoffschlüssig verbunden ist. Die Hochvolt-Stromschiene 1 bildet hierbei jeweils eine Schnittstelle zwischen dem jeweiligen Ringleiter 4 und einer Leistungselektronik (nicht dargestellt).
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Die Hochvolt-Stromschiene 1 weist ein erstes distales Ende 5 sowie ein zweites distales Ende 6 auf. Beide Ende 5, 6 können unterschiedlich zueinander ausgerichtet sein, wie dies anhand der 5 erkennbar ist. Demnach kann die Hochvolt-Stromschiene 1 unterschiedliche geometrische Formen haben.
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Im Bereich ihres ersten distalen Endes 5 weist die Hochvolt-Stromschiene 1 einen Anschluss 7 zum Verbinden dieser mit einer elektrischen Leitung auf, die wiederum mit der Leistungselektronik der elektrischen Maschine verbindbar ist. Hierzu umfasst der Anschluss 7 in der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante eine Gewindebuchse 8.
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An ihrem zweiten Ende 6 gabelt sich die Hochvolt-Stromschiene 1 zweizinkig, derart, dass jeder der zwei Gabelzinken 9, 10 eine separate Kontaktfläche 11, 12 ausbildet, die zum stoffschlüssigen Verbinden mit jeweils einem der distalen Endabschnitte 2, 3 des Ringleiters 4 vorgesehen ist. Mit anderen Worten ist das zweite Ende 6 der Hochvolt-Stromschiene 1 U-förmig ausgebildet, so dass die jeweiligen Kontaktflächen 11, 12 mit den beiden zueinander benachbarten, distalen Endabschnitten 2, 3 des Ringleiters 4 fluchten.
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In der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante bestehen beide Bauteile 1, 4 aus Kupfer, wobei die Darstellung eine direkte stoffschlüssige Verbindung zwischen diesen aufzeigen soll. Um diese herzustellen, werden die beiden Bauteile 1, 4 miteinander kontaktiert, derart, dass ihre jeweils zueinander orientierten und sich axial erstreckenden Kontaktflächen, die in 1 durch die Pfeile 13, 14 symbolisiert werden, sich berühren. Sodann können die beiden Bauteile 1, 4 durch Stoffschluss, beispielsweise durch einen Laserschweißprozess, miteinander leitend verbunden werden.
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Alternativ kann auch ein Lotflussmittel 15 verwendet werden, wie dies in den 2 und 3 gezeigt ist. Hierbei werden nicht die beiden Werkstoffe der beiden Bauteile 1, 4 direkt aufgeschmolzen (1), sondern das Lotflussmittel 15, welches jeweils zwischen den beiden zueinander orientierten und sich axial erstreckenden Kontaktflächen 13, 14 angeordnet ist (2). Durch das sog. Hartlöten wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den jeweiligen distalen Enden 2, 3 des Ringleiters 4 sowie der jeweiligen Gabelzinken 9, 10 der Hochvolt-Stromschiene 1 erzielt.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den jeweiligen distalen Enden 2, 3 des Ringleiters 4 sowie der jeweiligen Gabelzinken 9, 10 der Hochvolt-Stromschiene 1. Wie anhand der Darstellung erkennbar, bedeckt das Lotflussmittel 15 jeweils einen Teil einer jeden Stirnfläche 16, 17 der Ringleiterenden 2, 3 bzw. der Gabelzinken 9, 10 der Hochvolt-Stromschiene 1.
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In 4 ist eine Ausführungsvariante eines Verschaltungsrings 18 gezeigt. Der Verschaltungsring 18 ist zum Verschalten von Wicklungsdrähten eines Stators einer elektrischen Maschine vorgesehen (nicht dargestellt) und umfasst einen ringförmigen Kunststoffkörper 19 mit drei Ringleitern 4, 20, 21. Jeder der drei Ringleiter 4, 20, 21 ist in einer ringförmig ausgebildeten Nut angeordnet und weist jeweils zwei zueinander benachbarte, distale Endabschnitte 2, 3, 22, 23, 24, 25 auf.
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In 5 ist ein Teil des in 4 gezeigten Verschaltungsrings 18 mit den Hochvolt-Stromschienen 1 dargestellt. Wie anhand der vergrößerten Darstellung erkennbar, erstrecken sich die beiden distalen Endabschnitte 2, 3, 22, 23, 24, 25 eines jeden Ringleiters 4, 20, 21 jeweils parallel zueinander und senkrecht zur Lageanordnung des jeweiligen in der ringförmigen Nut angeordneten Restabschnitts des Ringleiters 4, 20, 21. Hierdurch kann die Hochvolt-Stromschiene 1 über die beiden Gabelzinken 9, 10 mit den distalen Endabschnitten 2, 3, 22, 23, 24, 25 der Ringleiter 4, 20, 21 stoffschlüssig verbunden werden, wie dies anhand der 1 bis 3 bereits erläutert worden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochvolt-Stromschiene
- 2
- (erstes) distales Ende / Phase V
- 3
- (zweites) distales Ende / Phase V
- 4
- Ringleiter / Phase V
- 5
- erstes distales Ende Stromschiene
- 6
- zweites distales Ende Stromschiene
- 7
- Anschluss
- 8
- Gewindebuchse
- 9
- erster Gabelzinken
- 10
- zweiter Gabelzinken
- 11
- erste Kontaktfläche
- 12
- zweite Kontaktfläche
- 13
- Pfeil
- 14
- Pfeil
- 15
- Lotflussmittel / Schweißnaht
- 16
- Stirnfläche Ringleiter
- 17
- Stirnfläche Hochvolt-Stromschiene
- 18
- Verschaltungsring
- 19
- Kunststoffkörper
- 20
- Ringleiter / Phase U
- 21
- Ringleiter / Phase W
- 22
- (erstes) distales Ende / Phase U
- 23
- (zweites) distales Ende / Phase U
- 24
- (erstes) distales Ende / Phase W
- 25
- (zweites) distales Ende / Phase W
