DE102021102645A1

DE102021102645A1 - Stator für elektrische maschine mit mehrteiliger leiterbaugruppe

Info

Publication number: DE102021102645A1
Application number: DE102021102645.8A
Authority: DE
Inventors: Michael W. Degner; Franco Leonardi; Becky Sue MORRIS
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2021-08-12
Also published as: US20210249915A1; US11444497B2; CN113258695A

Abstract

Diese Offenbarung stellt einen Stator für eine elektrische Maschine mit einer mehrteiligen Leiterbaugruppe bereit. Ein Stator für eine elektrische Maschine wird durch ein Zusammenbauen eines Kerns und einer ersten und einer zweiten Wicklungsbaugruppe hergestellt. Die erste Wicklungsbaugruppe (FWA) wird durch einen 3D-Druckprozess hergestellt und beinhaltet eine Vielzahl von U-förmigen Leitern (Haarnadeln), die jeweilige Wicklungsköpfe aufweisen, die in einer gegenseitig axial verschachtelten Beziehung zueinander angeordnet sind, um einen Ring zu bilden, und ferner zwei Stützen aufweisen, die in einem der Schlitze des Kerns angeordnet sind. Wicklungsköpfe verbinden jeweilige Paare der Stützen und sind einer Endfläche des Kerns benachbart angeordnet, wobei distale Enden der Stützen axial über eine gegenüberliegende Endfläche des Kerns herausragen. Die zweite Wicklungsbaugruppe (SWA) beinhaltet eine Vielzahl von Brücken, die einen zweiten Ring bilden. Gegenüberliegende Enden jeder Brücke definieren Anschlüsse, die mit den Enden der Stützen zusammenpassen. Die SWA beinhaltet ferner ein elektrisch nicht leitfähiges Gehäuse, in das mindestens eine der Brücken eingebettet ist.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Diese Offenbarung betrifft das Gebiet von elektrischen Maschinen. Insbesondere betrifft die Offenbarung einen Stator, der eine Wicklung aufweist, die zwei oder mehr getrennt gefertigte Unterbaugruppen umfasst.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrische Maschinen (Motoren, Generatoren usw.) bestehen aus mehreren grundlegenden Komponenten, die vielen verschiedenen Arten von Maschinen gemein sind: eine oder mehrere stromführende Komponenten (die Leiter oder Wicklung); eine Magnetpfadkomponente (der Kern); und eine Magnetfeldquelle (ein(e) oder mehrere Spulen oder Magnete). In typischen Motoren, einschließlich derjenigen, die gegenwärtig in den meisten Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, beinhaltet der Stator Wicklungen, die eine Vielzahl von geraden Teilen umfassen, die sich axial durch den Kern erstrecken (üblicherweise durch Schlitze, die durch den Kern definiert sind), und eine Vielzahl von Teilen außerhalb und an jeder axialen Ende des Kerns, im Allgemeinen als Endwindungen bezeichnet. Die Endwindungen verbinden die axial ausgerichteten Leiter innerhalb der durch den Kern definierten Schlitze elektrisch, wodurch die elektrische Schaltung vervollständigt und die gewünschte/erforderliche Anzahl von elektrischen Phasen erzeugt wird. Obwohl er für das korrekte Funktionieren der Maschine notwendig ist, trägt der Endwindungsbereich zu elektrischen Verlusten, Gewicht, Kosten und Volumen bei, aber nicht zum Drehmoment. Es ist daher wünschenswert, die Länge und den elektrischen Widerstand der Endwindungen zu reduzieren.
Es ist herkömmlich bekannt, den Stator einer EM durch Einführen von U-förmigen „Haarnadelleitern“ in sich axial erstreckende Schlitze, die in dem Stator von einem ersten axialen Ende des Stators gebildet sind, und anschließendes Verbinden der Enden der Haarnadeln, die aus dem gegenüberliegenden zweiten axialen Ende des Stators hervorstehen, nach Bedarf herzustellen, um den gewünschten Schaltungsweg zu erreichen. Jeder Haarnadelleiter wird herkömmlicherweise durch Biegen eines Kupferstabs oder -stabs mit rechteckigem Querschnitt hergestellt. Infolgedessen bleiben die Form und der Bereich des Leiterquerschnitts in der gesamten Maschine gleich. Die Endwindungen müssen sich axial an beiden Enden des Stators kreuzen, und dies erhöht die Gesamtlänge der Wicklungen. Die Endwindungen können daher einen erheblichen Teil der Gesamtwicklungslänge umfassen, die in Kurzstapelmaschinen (definiert als Maschinen, bei denen der Radius viel größer als die axiale Länge ist) 50 % des Gesamtkupfergehalts erreichen kann.
Es wurden Konfigurationen vorgeschlagen, die es ermöglichen, elektrische Maschinenkomponenten durch additive Fertigung, auch gemeinhin als dreidimensionales (3D) Drucken bekannt, herzustellen. Keine der vorgeschlagenen Konfigurationen hat jedoch die Fertigung eines Stators mit verteilter Wicklung ermöglicht, bei dem die Wicklungsköpfe einander nicht axial überkreuzen. Das Beseitigen derartiger Überkreuzungen würde zu einer erheblich verbesserten Maschine führen.
KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
In einer ersten offenbarten strukturellen Ausführungsform umfasst ein Stator für eine elektrische Maschine einen Kern, der eine Vielzahl von Schlitzen definiert, die sich parallel zu einer Längsachse des Kerns erstreckt, und geschichtete Lagen, die angeordnet sind, um eine erste Wicklungsbaugruppe zu bilden, die eine Vielzahl von U-förmigen Leitern umfasst, die jeweils eine erste und eine zweite Stütze umfassen, die in einem anderen der Schlitze angeordnet sind. Die erste Wicklungsbaugruppe umfasst ferner eine Vielzahl von Wicklungsköpfen, die jeweilige Paare der ersten und zweiten Stützen verbinden und einer ersten Endfläche des Kerns benachbart angeordnet sind, wobei Enden der Stützen, die distal der Wicklungsköpfe liegen, erste Anschlüsse definieren, die axial über eine zweite Endfläche des Kerns herausragen. Eine zweite Wicklungsbaugruppe umfasst eine Vielzahl von Brücken, die jeweils gegenüberliegende Enden aufweisen, die zweite Anschlüsse definieren, die zum Passeingriff mit entsprechenden ersten Anschlüssen konfiguriert sind, wobei einer von dem ersten und dem zweiten Anschluss in einen anderen von dem ersten und dem zweiten Anschluss eingeführt ist.
Gemäß einem anderen in dieser Schrift offenbarten Merkmal kann die Vielzahl von Brücken in einem Ring angeordnet sein und kann die zweite Wicklungsbaugruppe ferner ein elektrisch nicht leitendes Gehäuse umfassen, das den Ring auf einer in Umfangsrichtung äußeren Fläche davon und auf einer radial inneren Fläche davon umschließt.
Mindestens einer der ersten Anschlüsse umfasst einen Zapfen und der entsprechende eine der zweiten Anschlüsse, der damit in Eingriff steht, kann ein Zapfenloch umfassen, sodass mindestens eine der Brücken durch eine Zapfenloch-Zapfen-Verbindung an die jeweilige Stütze gekoppelt ist. Alternativ können der erste und der zweite Anschluss durch eine Nut-Feder-Verbindung oder durch eine Stoßverbindung miteinander gekoppelt sein.
In einem weiteren in dieser Schrift offenbarten Merkmal des Stators befindet sich die erste Stütze radial näher an der Längsachse als die zweite Stütze, und radial benachbarte Wicklungsköpfe sind in einer radial verschachtelten Beziehung zueinander angeordnet, ohne einander zu überkreuzen.
Gemäß einem anderen in dieser Schrift offenbarten Aspekt umfasst die erste Wicklungsbaugruppe ferner eine Vielzahl von U-förmigen äußeren Leitern, die jeweils eine dritte Stütze, die in einem dritten der Schlitze angeordnet ist, eine vierte Stütze, die in einem vierten der Schlitze angeordnet ist, und einen äußeren Wicklungskopf, der die dritte und die vierte Stütze verbindet und sich axial über den Wicklungskopf eines einen der Leiter erstreckt und diesen überspannt, wobei die Enden der dritten und der vierten Stütze, die distal der äußeren Wicklungsköpfe liegen, dritte Anschlüsse definieren. Der Stator umfasst ferner eine dritte Wicklungsbaugruppe, die eine Vielzahl von inneren Brücken umfasst und die axial zwischen dem Kern und der zweiten Wicklungsbaugruppe angeordnet ist, sodass sich jede der Brücken axial über eine jeweilige der inneren Brücken erstreckt und diese überspannt. Jede der inneren Brücken weist gegenüberliegende Enden auf, die vierte Anschlüsse definieren, die entsprechende der dritten Anschlüsse in Passeingriff nehmen, und die dritte Wicklungsbaugruppe definiert eine Vielzahl von Löchern, durch die sich jeweilige der ersten und der zweiten Stütze erstrecken.
In einem weiteren in dieser Schrift offenbarten Merkmal umfasst ein Stator für eine elektrische Maschine einen Kern, der eine Vielzahl von Schlitzen definiert, die sich parallel zu einer Längsachse des Kerns erstreckt, und sind geschichtete Lagen angeordnet, um eine erste Wicklungsbaugruppe zu bilden, die eine Vielzahl von U-förmigen Leitern umfasst, die jeweilige Wicklungsköpfe aufweisen, die in einer gegenseitig axial verschachtelten Beziehung zueinander angeordnet sind, um einen Ring zu bilden. Jeder U-Leiter umfasst ferner zwei Stützen, die jeweils in einem anderen der Schlitze angeordnet sind, und die erste Wicklungsbaugruppe umfasst ferner eine Vielzahl von Wicklungsköpfen, die jeweilige Paare der Stützen verbinden und einer ersten Endfläche des Kerns benachbart angeordnet sind, wobei Enden der Stützen, die distal der Wicklungsköpfe liegen, erste Anschlüsse definieren, die axial über eine zweite Endfläche des Kerns hinausragen. Eine zweite Wicklungsbaugruppe umfasst eine Vielzahl von Brücken, die in einer gegenseitig axial verschachtelten Beziehung zueinander angeordnet sind, um einen zweiten Ring zu bilden, und wobei gegenüberliegende Enden jeder Brücke Anschlüsse definieren, die für einen Passeingriff mit jeweiligen ersten Anschlüssen konfiguriert sind, und die zweite Wicklungsbaugruppe ferner ein elektrisch nicht leitendes Gehäuse umfasst, wobei mindestens eine der Vielzahl von Brücken in das Gehäuse eingebettet ist. Das Gehäuse ist einer zweiten Endfläche des Kerns benachbart angeordnet, um die zweiten Anschlüsse in Eingriff mit den entsprechenden ersten Anschlüssen zu bringen.
Die erste Wicklungsbaugruppe kann ferner eine Vielzahl von U-förmigen äußeren Leitern umfasst, die jeweils eine dritte Stütze, die in einem dritten der Schlitze angeordnet ist, eine vierte Stütze, die in einem vierten der Schlitze angeordnet ist, und einen äußeren Wicklungskopf, der die dritte und vierte Stütze verbindet, umfassen und in einer ringförmigen gegenseitig radial verschachtelten zueinander angeordnet sind, und wobei Enden der dritten und der vierten Stütze, die distal der äußeren Wicklungsköpfe liegen, dritte Anschlüsse definieren. Der Stator umfasst ferner eine dritte Wicklungsbaugruppe, die eine Vielzahl von inneren Brücken umfasst, die in einem dritten Ring angeordnet ist, der teilweise von einem elektrisch nicht leitenden Gehäuse umschlossen ist, wobei die dritte Wicklungsbaugruppe axial zwischen dem zweiten Ende des Kerns und der zweiten Wicklungsbaugruppe angeordnet ist, sodass jede der Brücken sich axial über eine jeweilige der inneren Brücken erstreckt und diese überspannt. Jede der inneren Brücken weist gegenüberliegende Enden auf, die vierte Anschlüsse definieren, die zum Passeingriff mit jeweiligen dritten Anschlüssen konfiguriert sind, wobei einer von dem dritten und dem vierten Anschluss in einen anderen von dem dritten und dem vierten Anschluss eingeführt ist. Die dritte Wicklungsbaugruppe definiert eine Vielzahl von Löchern, durch die sich jeweilige der ersten und zweiten Stützen erstrecken.
In einem weiteren offenbarten Merkmal umfasst ein Verfahren zur Fertigung eines Stators für eine elektrische Maschine ein Bilden eines Kerns, der eine Vielzahl von Schlitzen definiert, die sich parallel zu einer Längsachse des Kerns erstreckt, und ein Anordnen von geschichteten Lagen, um eine erste Wicklungsbaugruppe zu bilden, die eine Vielzahl von U-förmigen Leitern umfasst, die jeweils einen Wicklungskopf aufweist, wobei eine Stütze sich von gegenüberliegenden Enden davon erstreckt. In einem ersten Montageschritt wird die erste Wicklungsbaugruppe in einen Passeingriff mit dem Kern eingeführt, sodass die Wicklungsköpfe einem ersten axialen Ende des Kerns benachbart sind und die Stützen in jeweiligen Schlitzen angeordnet sind und erste Anschlüsse, die an Enden der Stützen, die distal der jeweiligen Wicklungsköpfe liegen, definiert sind, ragen axial über eine zweite axiale Endfläche des Kerns heraus. Eine zweite Wicklungsbaugruppe ist derart ausgebildet, dass sie eine Vielzahl von Brücken umfasst, wobei gegenüberliegende Enden der Brücken zweite Anschlüsse zum Passeingriff mit jeweiligen der ersten Anschlüsse umfassen. In einem zweiten Montageschritt wird die zweite Wicklungsbaugruppe der zweiten Endfläche des Kerns benachbart positioniert, sodass einer des ersten und zweiten Anschlusses in einen anderen des ersten und zweiten Anschlusses eingeführt wird.
In einem weiteren Merkmal des offenbarten Herstellungsverfahrens werden geschichtete Lagen derart angeordnet, dass die erste Wicklungsbaugruppe ferner eine Vielzahl von U-förmigen äußeren Leitern umfasst, die jeweils einen äußeren Wicklungskopf umfassen, wobei eine äußere Stütze sich von gegenüberliegenden Enden davon erstreckt, wobei jeder äußere Wicklungskopf sich axial über den Wicklungskopf eines jeweiligen der Leiter erstreckt und diesen überspannt, wodurch das Zusammenpassen der ersten Wicklungsbaugruppe mit dem Kern die äußeren Stützen in entsprechenden Schlitzen platziert und dritte Anschlüsse, die an Enden der äußeren Stützen, die distal der jeweiligen Wicklungsköpfe liegen, definiert sind, um eine kürzere Entfernung als die ersten Anschlüsse axial über die zweite axiale Endfläche des Kerns herausragen. Eine dritte Wicklungsbaugruppe umfasst eine Vielzahl von inneren Brücken, die gegenüberliegende Enden aufweisen, die vierte Anschlüsse zum Passeingriff mit jeweiligen der dritten Anschlüsse umfassen, und wobei die dritte Wicklungsbaugruppe eine Vielzahl von Löchern definiert. Vor dem Schritt des Platzierens der zweiten Wicklungsbaugruppe wird die dritte Wicklungsbaugruppe der zweiten Endfläche des Kerns benachbart platziert, sodass die dritten Anschlüsse entsprechende vierte Anschlüsse in Eingriff nehmen und die Stützen sich durch jeweilige Löcher erstrecken. Das anschließende Platzieren der zweiten Wicklungsbaugruppe platziert dann die Brücken der zweiten Wicklungsbaugruppe in axial überspannenden Positionen über die jeweiligen inneren Brücken.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht von Abschnitten von Hauptkomponenten eines Stators einer elektrischen Maschine.
2 ist eine perspektivische Teilansicht, die einen repräsentativen U-Leiter der ersten Wicklungsbaugruppe zeigt, die in 1 gezeigt ist.
3 ist eine perspektivische Teilansicht von zwei radial benachbarten Leitern, die in 2 gezeigt sind, isoliert von dem Kern und anderen Leitern.
4 ist eine perspektivische Ansicht der ersten Wicklungsbaugruppe aus 1.
5 ist eine Draufsicht der zweiten Wicklungsbaugruppe aus 1.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer repräsentativen Brücke der zweiten Wicklungsbaugruppe aus den 1 und 5.
7 ist eine perspektivische Ansicht des Kerns und der ersten Wicklungsbaugruppe aus 1 nach einem ersten Montageschritt.
8 ist eine perspektivische Ansicht des Kerns, der ersten Wicklungsbaugruppe, einer zweiten Wicklungsbaugruppe aus 1 nach einem zweiten Montageschritt.
9A ist eine perspektivische Ansicht von Anschlussabschnitten einer ersten offenbarten Ausführungsform einer Brücke und eines passenden U-Leiters, bevor sie miteinander verbunden werden.
9B ist eine perspektivische Ansicht der Anschlussabschnitte aus 9A, nachdem sie miteinander verbunden wurden.
9C ist eine perspektivische Ansicht von Anschlussabschnitten einer zweiten offenbarten Ausführungsform einer Brücke und eines passenden U-Leiters, bevor sie miteinander verbunden werden.
9D ist eine perspektivische Ansicht der Anschlussabschnitte aus 9C, nachdem sie miteinander verbunden wurden.
9E ist eine perspektivische Ansicht von Anschlussabschnitten einer dritten offenbarten Ausführungsform einer Brücke und eines passenden U-Leiters, bevor sie miteinander verbunden werden.
9F ist eine perspektivische Ansicht der Anschlussabschnitte aus 9E, nachdem sie miteinander verbunden wurden.
10 ist eine perspektivische Ansicht eines repräsentativen Paars eines inneren und äußeren U-Leiters einer zweiten Ausführungsform einer ersten Wicklungsbaugruppe.
11 ist eine perspektivische Ansicht der ersten Wicklungsbaugruppe aus 10, die in den Kern eingeführt ist.
12 ist eine vergrößerte Ansicht der ersten Wicklungsbaugruppe und des Kerns aus 11.
13 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Wicklungsbaugruppe der zweiten Ausführungsform eines Stators.
14 ist eine perspektivische Ansicht der zweiten Wicklungsbaugruppe aus 12, die mit der ersten Wicklungsbaugruppe und dem Kern aus 11 zusammengebaut ist.
15 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Wicklungsbaugruppe der zweiten Ausführungsform eines Stators.
16 ist eine perspektivische Ansicht der dritten Wicklungsbaugruppe aus 15, die mit den Komponenten aus 14 zusammengebaut ist.
17 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts aus 16.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In dieser Schrift sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaften Charakters sind und andere Ausführungsformen unterschiedliche und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die in der vorliegenden Schrift offenbarten konkreten strukturellen und funktionellen Details nicht als einschränkend sondern lediglich als repräsentative Grundlage auszulegen, um den Fachmann den vielfältigen Einsatz der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Wie in der auseinandergezogenen Ansicht aus 1 zu sehen ist, umfasst ein Stator 10, der Merkmale der Erfindung zeigt, eine erste Wicklungsbaugruppe (first winding assembly - FWA) 20, eine zweite Wicklungsbaugruppe (second winding assembly - SWA) 30 und einen Kern 40. Eine Längs- oder Mittelachse A gibt die Achse der radialen Symmetrie des Stators 10 an und ist ebenfalls die Drehachse eines im Allgemeinen zylindrischen Rotors (nicht gezeigt), der in einer zusammengebauten elektrischen Maschine zur Drehung relativ dazu in dem Stator gestützt wird.
Der Statorkern 40 weist im Allgemeinen eine herkömmliche Konfiguration auf und definiert eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Schlitzen 42, die durch Zähne 44 getrennt sind. Der Kern 40 besteht aus einem eisenhaltigen Material, wie etwa Eisen oder Stahl, und kann als eine einheitliche Komponente oder als ein Stapel von dünnen Lagen hergestellt sein.
Die FWA 20 umfasst eine Vielzahl von U-Leitern 24 (die alternativ von Fachleuten als „Haarnadeln“ bezeichnet werden können), von denen jeder zwei parallele Stützen 24a, 24b und einen Wicklungskopf 24c, der sich zwischen den Stützen erstreckt, diese verbindet und mit diesen einstückig ausgebildet ist, umfasst. Die U-Leiter 24 sind derart angeordnet, dass radial benachbarte Paare von Wicklungsköpfen 24c in einer radial verschachtelten Beziehung zueinander stehen, um eine ringförmige Scheibe oder einen Ring 20a zu bilden, die/der in der in 1 angegebenen x-y-Ebene liegt, und die Stützen 24a, 24b erstrecken sich parallel zur Mittelachse A und zu der z-Achse. Die freien Enden der Stützen 24a, 24b, die distal von ihren jeweiligen Wicklungsköpfen 24c liegen, umfassen Anschlüsse 26, wie nachstehend näher beschrieben.
Um die radial verschachtelte Beziehung von U-Leitern 24 zu ermöglichen, können Wicklungsköpfe 24c und die Abschnitte der Stützen 24a, 24b, die diesen unmittelbar benachbart sind, wie in 2 gezeigt konfiguriert sein. Ein erstes Ende des Wicklungskopfes 24a ist mit einem radial inneren Abschnitt der ersten Stütze 24a verbunden, sodass die Verbindungsstelle zwischen dem Wicklungskopf und der ersten Stütze dazu konfiguriert ist, eine radial nach außen gerichtete Leiste 27 zu definieren, und ein zweites Ende des Wicklungskopfes ist mit einem radial äußeren Abschnitt der zweiten Stütze 24b verbunden, sodass die Verbindungsstelle zwischen dem Wicklungskopf und der zweiten Stütze dazu konfiguriert ist, eine radial nach innen gerichtete Leiste 28 zu definieren. Die Stütze 24a ist im Vergleich zu der Stütze 24b relativ mehr radial nach innen gerichtet. Folglich tritt der Wicklungskopf 24c radial nach außen, wenn er sich im Uhrzeigersinn, wie in 2 zu sehen ist, um die Mittelachse A der SWA 30 erstreckt.
Die verschachtelte Beziehung zwischen radial benachbarten U-Leitern ist am besten in 3 zu sehen, in der zwei repräsentative U-Leiter 124, 224 isoliert vom Rest der Leiter, aus denen die FWA 20 besteht, gezeigt sind. Bei den zwei repräsentativen U-Leiter kann es sich um ein beliebiges Paar von radial benachbarten U-Leitern, aus denen die FWA 20 besteht, handeln. Wie gezeigt bestehen die folgenden Beziehungen: 1) Der Wicklungskopf eines radial äußeren U-Leiters 124 liegt in der nach außen gerichteten Leiste 227 eines radial inneren Leiters 224 und verläuft über diese; und 2) Der Wicklungskopf des radial inneren Leiters 224 verläuft über die nach innen gerichteten Leiste 128 des radial äußeren Leiters 124 und liegt in dieser. Da diese eng verschachtelte Beziehung zwischen jedem Paar radial benachbarter U-Leiter 124, 224 um den Umfang und über den Radius des Rings 20a wiederholt wird, wird die Anforderung (die in Wicklungsausgestaltungen nach dem Stand der Technik vorhanden ist) an Wicklungsköpfe des U -Leiters, einander axial zu überkreuzen, vermieden.
Im Vergleich zu einem herkömmlich bekannten Stator, bei dem die Wicklungsköpfe von Leitern einander an den axialen Enden des Kerns überkreuzen (überlappen), ermöglicht die offenbarte radial verschachtelte Konfiguration, dass Leiter eine kürzere Gesamtlänge aufweisen und daher weniger Material verwenden und weniger elektrischen Widerstand erzeugen. Ferner kann der offenbarte Stator (und somit die elektrische Maschine insgesamt) axial kompakter sein, als im Stand der Technik bekannt ist.
Wie am besten in 4 zu sehen ist, sind die distalen Enden von Stützen, die den Anschlüsse 26 unmittelbar benachbart sind, dazu konfiguriert, nach außen gerichtete Leisten 127 und nach innen gerichtete Leisten 128 zu bilden, die den Leisten 27, 28, die in den 3 und 4 gezeigt sind, ähnlich sind. Die Leisten 127, 128 ermöglichen, dass Elemente der SWA 30 auf eine axial verschachtelte Weise mit den Anschlüsse 26 zusammenpassen, wie weiter unten beschrieben.
Die U-Leiter 24 sind aus einem Material, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, gebildet (wie etwa Kupfer) und sind von einer nicht leitfähigen Beschichtung bedeckt, um elektrisch voneinander (und von dem Kern 40, wenn sie damit zusammengebaut sind) isoliert zu sein. Da die isolierende Beschichtung relativ zu der Größe der Leiter sehr dünn ist, ist sie in den Figuren nicht gezeigt oder mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die FWA 20 kann vorteilhafterweise unter Verwendung eines additiven Fertigungsprozesses (auch als dreidimensionales oder 3D-Drucken bekannt) gebildet werden, wobei geschichtete Materiallagen der Reihe nach übereinander angeordnet werden. Ein derartiger Prozess kann ermöglichen, dass U-Leiter 24 gleichzeitig miteinander und in der gezeigten verschachtelten Beziehung gedruckt werden. Der 3D-Druckprozess ermöglicht ferner die Herstellung von Wicklungsköpfen, die in der Querschnittsform variieren und/oder über ihren jeweiligen Längen liegen. Eine dünne isolierende Lage (nicht gezeigt), die die U-Leiter 24 umgibt, kann ebenfalls gleichzeitig durch einen derartigen Prozess gebildet werden.
Die in dieser Schrift enthaltene Offenbarung betrifft die Herstellung, die Konfiguration und gegenseitig verschachtelte Anordnung der Wicklungsköpfe 24c, wie in den 3 und 4 gezeigt, und ist ebenfalls in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung 16/685,029 , eingereicht am 15. November 2019, offenbart, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist.
Die SWA 30 (siehe 5) umfasst eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Brücken 32, die im Wesentlichen ähnlich wie die Wicklungsköpfe 24c konfiguriert und in einer gegenseitig verschachtelten Beziehung, die im Wesentlichen der des Rings 20a ähnlich ist, angeordnet sind. In der verschachtelten Anordnung sind die Brücken 32 elektrisch voneinander isoliert, zum Beispiel durch dünne dielektrische Beschichtungen, wie vorstehend in Bezug auf die U-Leiter 24 beschrieben.
Eine repräsentative der Brücken 32 ist in 6 so gezeigt, dass sie gegenüberliegende Enden aufweist, die jeweilige zweite Anschlüsse 32a, 32b definieren, die zur passenden elektrischen Verbindung mit jeweiligen ersten Anschlüssen 26 konfiguriert sind. In der Ausführungsform aus 6 definieren die zweiten Anschlüsse 32a, 32b im Allgemeinen rechteckige Öffnungen 34, die dazu ausgelegt sind, erste Anschlüsse 26 darin aufzunehmen.
Die SWA 30 kann ferner ein Gehäuse 36 umfassen, das den durch die verschachtelten Brücken 32 gebildeten Ring teilweise umschließt und die Brücken in einer einheitlichen, starren Scheibe zusammenhält. In der gezeigten Ausführungsform umschließt das Gehäuse 36 den Ring der verschachtelten Brücken 32 auf der in Umfangsrichtung äußeren Fläche und auf der radial inneren Fläche davon. Das Gehäuse 36 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, wie etwa Epoxidharz, gebildet und kann durch einen Überformungsprozess gebildet werden, nachdem die Brücken 32 in ihrer ringförmigen, gegenseitig verschachtelten Beziehung angeordnet wurden. Das Gehäuse 36 kann beliebige Spalten oder Räume füllen, die zwischen benachbarten Brücken 32 vorhanden sein können.
Wie ebenfalls in 6 gezeigt, können die Brücken 32 in der Breite entlang ihrer Umfangslängen/Spannweiten variieren. Insbesondere weisen die Abschnitte der Brücke, die (wenn die SWA 30 mit der FWA 20 und dem Kern 40, wie nachstehend beschrieben, zusammengebaut ist) über (direkt axial über) den die Schlitze 42 trennenden Zähnen 44 verlaufen, eine größere radiale Breite auf als die benachbarten Abschnitte der Brücke, die über den Schlitzen verlaufen. Dieses Längenvariieren der radialen Breiten der Brücken wird ebenfalls durch einen 3D-Druckprozess ermöglicht. Diese Breitenvariation kann ebenfalls in den Wicklungsköpfen 24c vorhanden sein, wie in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung 16/685,029 offenbart.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 7 wird in einem ersten Schritt der Statormontage die FWA 20 axial in den Kern 40 eingeführt, sodass der durch die Wicklungsköpfe 24c gebildete Ring 20a einer ersten Endfläche des Kerns (dem entfernten Ende des Kerns, in 7 nicht sichtbar) benachbart ist oder diese berührt und die Stützen 24a, 24b in jeweiligen Schlitzen 42 angeordnet sind. Erste Anschlüsse 26 an den distalen Enden der Stützen ragen axial über eine zweite Endfläche 40b des Kerns heraus.
Die Stützen 24a, 24b jedes U-Leiters sind in jeweiligen Schlitzen angeordnet, die durch einen oder mehrere dazwischenliegende Schlitze getrennt sind, die von Wicklungsköpfen 24c überspannt sind. Die Anzahl der dazwischenliegenden Schlitze, die von einem Wicklungskopf 24c überspannt sind, ist durch mehrere Ausgestaltungsmerkmale der elektrischen Maschine (zum Beispiel die Anzahl der elektrischen Phasen und die Anzahl der Schlitze pro Pol) vorgegeben. In der dargestellten Ausführungsform ist ein dreiphasiger Stator mit drei Schlitzen pro Pol gezeigt, wobei jeder Wicklungskopf 24c zwei dazwischenliegende Schlitze überspannt. Die offenbarten Gestaltungskonzepte können auf elektrische Maschinen angewendet werden, die Konfigurationen aufweisen, die sich von dieser Ausführungsform unterscheiden.
In einem zweiten Montageschritt wird die SWA 30 in einer axialen Ausrichtung mit der FWA 20 und dem Kern 30, die kombiniert sind, positioniert und relativ zu diesen Komponenten die Achse A entlangbewegt, sodass die ersten Anschlüsse 26a, 26b jedes U-Verbindungsstücks mit ihren jeweiligen zweiten Anschlüssen 32a, 32b (8) in Eingriff gebracht werden. Beim Vergleichen der 5 und 7 miteinander ist ersichtlich, dass dieser Eingriff durch die Anzahl und Positionen der ersten Anschlüsse 26, die der Anzahl und Positionen der Öffnungen 34 entspricht, die durch jede der Brücken 32 definiert sind, ermöglicht wird. Beim Abschluss des zweiten Montageschritts sind die Brücken 32 dem Kern 40 unmittelbar benachbart oder berühren diesen (sind aber aufgrund ihrer dielektrischen Beschichtungen elektrisch von dem Kern isoliert).
In einer alternativen Ausführungsform eines zweiten Montageschritts können die Brücken 32 einzeln oder in einer Vielzahl von Gruppen in Eingriff mit ihrem jeweiligen ersten Anschluss 26a, 26b platziert, statt zuerst zu einer einheitlichen SWA ausgeformt zu werden, wie vorstehend beschrieben. In dieser Hinsicht kann jede Gruppe eine beliebige Anzahl von Brücken umfassen, die geringer ist als die Gesamtanzahl, die in der SWA 30 beinhaltet ist. In dieser Ausführungsform kann das Gehäuse vollständig entfallen oder das Gehäuse kann eine ringförmige Anordnung von Brücken überformen, nachdem sie an die FWA montiert wurde. In einer anderen Alternative können Gruppen einer beliebigen Anzahl von Brücken 32 von isolierenden Gehäusen umschlossen sein, um mehrere Untereinheiten zu bilden, die dann an die FWA montiert werden.
Die ersten Anschlüsse 26a, 26b und die zweiten Anschlüsse 32a, 32b können eine Vielzahl von komplementären Formen annehmen, die dazu ausgestaltet sind, den elektrischen Widerstand gegenüber Strom, der durch die Verbindungsstelle dazwischen fließt, zu minimieren. In einer ersten beispielhaften Ausführungsform, die in den 9A-B gezeigt ist, umfasst ein erster Anschluss 26 einen im Allgemeinen rechteckigen Zapfen und ein zweiter Anschluss 32a definiert ein Zapfenloch 34, das dazu konfiguriert ist, den Zapfen passend aufzunehmen, um dadurch eine Zapfenloch-Zapfen-Verbindung zu bilden. In einer zweiten beispielhaften Ausführungsform, die in den 9C-D gezeigt ist, definiert ein erster Anschluss 626 eine Nut 626a und ein zweiter Anschluss 632a definiert eine V-förmige Feder 634, die in die Nut passt, um dadurch eine Nut-Feder-Verbindung 635 zu bilden. In einer dritten beispielhaften Ausführungsform, die in den 9E-F gezeigt ist, umfasst ein erster Anschluss einen im Allgemeinen rechteckigen Stift 726 und ein zweiter Anschluss 732a umfasst ein Kolbenende 734. Das Kolbenende 734 drückt gegen eine im Allgemeinen flache Fläche des Stifts 726, um dadurch eine Stoßverbindung 735 zu bilden.
Der zweite Montageschritt kann ferner ein Erwärmen der Verbindungsstellen zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss, zum Beispiel durch ein Laserschweißen, beinhalten, um die Qualität, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung zu verbessern.
Wie für den Fachmann ersichtlich ist, können zusätzliche Komponenten und/oder Verbindungen (Anschlüsse, Nullleiterverbindungen, Schaltbrücken usw.), die benötigt werden, um die elektrischen Schaltungen zu vervollständigen, die durch die in dieser Schrift offenbarten Wicklungen gebildet werden, an jedem der axialen Enden des Kerns integriert sein.
Die 10-17 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Stators, der drei Phasen und sechs Schlitze pro Pol (zwei Schlitze pro Pol für jede Phase) aufweist. In dieser Ausgestaltung ist die Anzahl der Wicklungsköpfe und Brücken, die die dazwischenliegenden Schlitze überspannen müssen, doppelt so groß wie bei der Ausgestaltung mit drei Schlitzen pro Pol in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform. Um dies zu erreichen, sind die Wicklungsköpfe der U-Leiter an einem ersten Ende des Kerns und die entsprechenden Brücken an dem zweiten Ende des Kerns in zwei Lagen angeordnet: eine innere Lage unmittelbar den Endflächen des Kerns benachbart (im Wesentlichen ähnlich den vorstehend beschriebenen Wicklungsköpfen und Brücken) und eine äußere Lage, die sich über die innere Lage erstreckt und axial oberhalb von dieser verläuft.
10 zeigt einen Statorkern 240 zusammen mit Abschnitten eines inneren U-Leiters 424 und eines äußeren U-Leiters 524 (die beide zu einer gemeinsamen elektrischen Phase der elektrischen Maschine gehören), die Komponenten einer ersten zweilagigen Wicklungsbaugruppe (dual-layer first winding assembly - DL-FWA) 220 sind. Das dargestellte Innen-/Außen-Paar von U-Leitern 424, 524, das dargestellt ist, ist repräsentativ für ein beliebiges derartiges Paar, das die DL-FWA 220 umfasst, und der Rest der Komponenten-U-Leiter ist in 10 der Klarheit halber nicht gezeigt.
Der innere U-Leiter 424 umfasst Stützen 424a, 424b (die in dem jeweiligen durch den Kern 240 definierten Schlitz 242 angeordnet gezeigt sind) und einen inneren Wicklungskopf 424c, der die Stützen verbindet. Die inneren U-Leiter 424 sind im Wesentlichen identisch mit den U-Leitern 24, aus denen die FWA 20 der ersten offenbarten Ausführungsform besteht, mit der Ausnahme, dass die Wicklungsköpfe 424c vier dazwischenliegende Schlitze 242 zwischen den Stützen 424a, 424b überspannen.
Der äußere U-Leiter 524 umfasst Stützen 524a, 524b, die durch einen äußeren Wicklungskopf 524c verbunden sind. Wie in 10 gezeigt, sind die Stützen 424b und 524b radial weiter innenliegend positioniert als die Stützen 424a, 524a und daher treten sowohl der innere als auch die äußere Wicklungskopf 424c, 524c radial nach außen, um sich dann in einer im Allgemeinen gegen den Uhrzeigersinn laufenden Umfangsrichtung über die Endfläche 240a zu erstrecken. Der äußere Wicklungskopf 524c überspannt sechs dazwischenliegende Schlitze (von denen zwei durch die inneren Stützen 424a-b belegt sind) und erstreckt sich unmittelbar axial oberhalb des inneren Wicklungskopfes 424c und parallel zu diesem. Die Stützen 524a-b sind in Schlitzen unmittelbar den Schlitzen, die die innenliegenden Stützen 424a-b enthalten, benachbart und in Umfangsrichtung außenliegend von diesen (relativ zu dem inneren Wicklungskopf 424c) angeordnet. Die Verbindungsstellen zwischen den äußeren Stützen 524a-b und den jeweiligen gegenüberliegenden Enden des äußeren Wicklungskopfes 524c bilden eine nach innen gerichtete und eine nach außen gerichtete Leiste 528, 527, die gleichmäßig mit den entsprechenden inneren Wicklungskopfleisten 428, 427 angeordnet sind (sich an derselben axialen Position befinden). Diese Konfiguration ermöglicht eine gegenseitige Verschachtelung benachbarter Wicklungsköpfe, die im Wesentlichen identisch mit derjenigen ist, die in Bezug auf die einlagigen Wicklungsköpfe der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben wurde. In dieser zweilagigen Ausführungsform sind die Wicklungsköpfe der inneren Lage radial gegeneinander verschachtelt und die Wicklungsköpfe der äußeren Lage verschachteln sich direkt über denen der inneren Lage radial gegeneinander. Die DL-FWA 220 kann vorteilhafterweise durch einen 3D-Druckprozess hergestellt werden, wie vorstehend beschrieben.
Die 11 und 12 zeigen die DL-FWA 220 nach einem ersten Montageschritt vollständig in den Kern 240 eingeführt. Es ist anzumerken, dass die in 10 sichtbare Endfläche 240b das von der in 11 gezeigten Endfläche 240a ausgehend axial gegenüberliegende Ende ist. Die distalen Enden der äußeren U-Leiter-Stützen 524a-b (distal der Wicklungsköpfe 524c) umfassen Anschlüsse 526, die um eine relativ kurzen Entfernung über die Kernendfläche 240b herausragen (oberhalb davon, in der dargestellten Ausrichtung). Die distalen Enden der inneren Stützen 424a, 424b (distal der Wicklungsköpfe 424c) umfassen Anschlüsse 426, die um eine (im Vergleich zur Überstandentfernung der Anschlüsse 526) relativ längere Entfernung über die Kernendfläche 240b herausragen. In dieser Ausführungsform mit sechs Schlitzen pro Pol enthält jeder Schlitz 242 zwei innere U-Leiter-Stützen 424a, 424b, die in den Anschlüssen 426 enden, und enthält ferner zwei äußere U-Leiter-Stützen 524a, 524b, die in den Anschlüssen 526 enden.
Eine zweilagige zweite Wicklungsbaugruppe (dual-layer second winding assembly - DL-SWA) 430 (13) umfasst eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen inneren Brücken 432, die im Wesentlichen ähnlich wie innere Wicklungsköpfe 424c (und den Brücken 32 der vorstehend beschriebenen einlagigen FWA) konfiguriert und in einer gegenseitig verschachtelten Beziehung angeordnet sind, die im Wesentlichen der des Rings 20a der ersten offenbarten Ausführungsform ähnlich ist. In der gegenseitig verschachtelten Anordnung sind die inneren Brücken 432 elektrisch voneinander isoliert, zum Beispiel durch dünne dielektrische Beschichtungen, wie vorstehend in Bezug auf die U-Leiter 24 beschrieben.
Gegenüberliegende Enden der inneren Brücken 432 umfassen entsprechende zweite Anschlüsse 432a, 432b, die zu einer zusammenpassenden elektrischen Verbindung mit jeweiligen Anschlüssen 526 der äußeren U-Verbindungsstücke konfiguriert sind. In der Ausführungsform aus 13 definieren die zweiten Anschlüsse 432a, 432b im Allgemeinen rechteckige Zapfenlöcher 434, die dazu ausgelegt sind, Anschlüsse 526 darin aufzunehmen, ähnlich der in den 9A-B gezeigten Konfiguration.
Die DL-SWA 430 kann ferner ein Gehäuse 436 umfassen, das die ringförmige Anordnung von verschachtelten inneren Brücken 432 teilweise umschließt. In der gezeigten Ausführungsform umschließt das Gehäuse 436 den Ring der Brücken 432 auf der in Umfangsrichtung äußeren Fläche und auf der radial inneren Fläche davon. Wie in der ersten in dieser Schrift offenbarten Ausführungsform ist das Gehäuse 436 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, wie etwa Epoxidharz, gebildet und kann durch einen Überformungsprozess gebildet werden, nachdem die inneren Brücken 432 in ihrer ringförmigen, gegenseitig verschachtelten Beziehung angeordnet wurden.
Eine Vielzahl von Löchern oder Durchlässen 438 ist in dem Gehäuse 436 definiert, wobei sich die Durchlässe in radialer Ausrichtung mit den Zapfenlöchern 434 befinden. Die Durchlässe 438 sind somit dazu positioniert, zu ermöglichen, dass die Anschlüsse 426 sich an den distalen Enden der inneren U-Leiter-Stützen 424a, 424b dadurch hindurch erstrecken, wenn in einem zweiten Montageschritt (siehe 14) die DL-SWA 430 auf dem Kern 240 platziert wird, sodass die ersten Anschlüsse 326 des äußeren Leiters in Eingriff mit jeweiligen zweiten Anschlüssen 432a, 432b der inneren Brücke gebracht werden.
Eine zweilagige dritte Wicklungsbaugruppe (dual-layer third winding assembly - DL-TWA) 530 (15) umfasst eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen äußeren Brücken 532, die im Wesentlichen ähnlich wie äußere Wicklungsköpfe 524c (und, abgesehen von einem Überspannen einer größeren Anzahl von dazwischenliegenden Schlitzen, wie die inneren Brücken 432) konfiguriert und in einer gegenseitig verschachtelten Beziehung angeordnet sind, die im Wesentlichen der der DL-SWA 430 ähnlich ist. Die äußere Brücken 532 sind elektrisch voneinander isoliert, wenn sie wie in 15 gezeigt angeordnet sind, zum Beispiel durch dünne dielektrische Beschichtungen, wie vorstehend beschrieben.
Gegenüberliegende Enden der äußeren Brücken 532 umfassen jeweilige zweite Anschlüsse 532a, 532b, die zur zusammenpassenden physischen und elektrischen Verbindung mit jeweiligen ersten Anschlüssen 426 der inneren U-Verbindungsstücke konfiguriert sind. In der Ausführungsform aus 15 definieren die zweiten Anschlüsse 532a, 532b im Allgemeinen rechteckige Zapfenlöcher 534, die dazu ausgelegt sind, erste Anschlüsse 426 darin aufzunehmen.
Die DL-TWA 530 kann ferner ein Gehäuse 536 umfassen, das den Ring, der von verschachtelten äußeren Brücken 532 gebildet wird, teilweise umschließt. In der gezeigten Ausführungsform umschließt das Gehäuse 536 den Ring von verschachtelten Brücken 532 auf der in Umfangsrichtung äußeren Fläche und auf der radial inneren Fläche davon. Ähnlich wie in der ersten in dieser Schrift offenbarten Ausführungsform ist das Gehäuse 536 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, wie etwa Epoxidharz, gebildet und kann durch einen Überformungsprozess gebildet werden, nachdem die äußeren Brücken 532 in ihrer ringförmigen, gegenseitig verschachtelten Beziehung angeordnet worden sind.
In einem dritten Montageschritt wird die DL-TWA 530 in axialer Ausrichtung mit der Kern-/DL-FWA-/DL-SWA-Kombination aus 14 platziert und relativ dazu entlang der Achse A bewegt, sodass die Anschlüsse 532a, 532b an gegenüberliegenden Enden der äußeren Brücken 532 in Eingriff mit jeweiligen inneren U-Verbindungsstückanschlüssen 426 (16) platziert werden. Wie am besten in 17 gezeigt sind nur die Spitzen der inneren U-Verbindungsstückanschlüsse 426 sichtbar, wenn sie mit ihren jeweiligen Brückenanschlüssen 532a, 532b in Eingriff stehen. Das innere und das äußere Gehäuse 436, 536 befinden sich somit in einer axial gestapelten Beziehung zueinander und die durch die Statorwicklungen gebildeten Schaltungen sind vollständig.
Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche eingeschlossen werden. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen so beschrieben sein können, dass sie Vorteile bereitstellen oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften bevorzugt sind, erkennt ein Durchschnittsfachmann, dass an einem oder mehreren Merkmale oder einer oder mehreren Eigenschaften Abstriche gemacht werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängen. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Stator für eine elektrische Maschine bereitgestellt, der Folgendes aufweist: einen Kern, der eine Vielzahl von Schlitzen definiert, die sich parallel zu einer Längsachse des Kerns erstrecken; geschichtete Lagen, die angeordnet sind, um eine erste Wicklungsbaugruppe zu bilden, die eine Vielzahl von U-förmigen Leitern umfasst, die jeweilige Wicklungsköpfe aufweisen, die in einer gegenseitig axial verschachtelten Beziehung zueinander angeordnet sind, um einen Ring zu bilden, wobei jeder U-Leiter ferner eine erste und eine zweite Stütze, die in einem anderen der Schlitze angeordnet ist, umfasst, und wobei die erste Wicklungsbaugruppe ferner eine Vielzahl von Wicklungsköpfen, die jeweilige Paare aus der ersten und zweiten Stütze verbinden und einer ersten Endfläche des Kerns benachbart angeordnet sind, umfasst, wobei Enden der Stützen, die distal der Wicklungsköpfe liegen, erste Anschlüsse definieren, die axial über eine zweite Endfläche des Kerns herausragen; und eine zweite Wicklungsbaugruppe, die eine Vielzahl von Brücken umfasst, die in einer gegenseitig axial verschachtelten Beziehung zueinander angeordnet sind, um einen zweiten Ring zu bilden, wobei gegenüberliegende Enden jeder Brücke zweite Anschlüsse definieren, die zum Passeingriff mit jeweiligen ersten Anschlüssen konfiguriert sind, und wobei die zweite Wicklungsbaugruppe ferner ein elektrisch nicht leitfähiges Gehäuse umfasst, wobei mindestens eine der Vielzahl von Brücken in das Gehäuse eingebettet ist, wobei das Gehäuse der zweiten Endfläche des Kerns benachbart angeordnet ist, wobei die zweiten Anschlüsse die jeweiligen ersten Anschlüssen in Eingriff nehmen.
Gemäß einer Ausführungsform umschließt das Gehäuse den zweiten Ring auf einer in Umfangsrichtung äußeren Fläche davon und auf einer radial inneren Fläche davon.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst mindestens einer der ersten Anschlüsse einen Zapfen und der entsprechende eine der zweiten Anschlüsse, der damit in Eingriff steht, kann ein Zapfenloch umfassen, sodass mindestens eine der Brücken durch eine Zapfenloch-Zapfen-Verbindung an die jeweilige Stütze gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform, definiert mindestens einer der ersten Anschlüsse eine Nut und der jeweilige eine der zweiten Anschlüsse, der damit in Eingriff steht, kann eine Feder umfassen, sodass die Brücken durch eine Nut-Feder-Verbindung an jeweilige Stützen gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Wicklungsbaugruppe ferner eine Vielzahl von U-förmigen äußeren Leitern, die jeweils eine dritte Stütze, die in einem dritten der Schlitze angeordnet ist, eine vierte Stütze, die in einem vierten der Schlitze angeordnet ist, und einen äußeren Wicklungskopf umfassen, wobei die dritte und die vierte Stütze in einem ringförmigen, gegenseitig radial verschachtelten radial zueinander angeordnet sind, und Enden der dritten und vierten Stütze, die distal des äußeren Wicklungskopfes liegen, dritte Anschlüsse definieren, und der Stator umfasst ferner eine dritte Wicklungsbaugruppe, die eine Vielzahl von inneren Brücken umfasst, die in einem dritten Ring angeordnet sind, der teilweise von einem elektrisch nicht leitfähigen Gehäuse umschlossen ist, wobei die dritte Wicklungsbaugruppe axial zwischen der zweiten Endfläche des Kerns und der zweiten Wicklungsbaugruppe angeordnet ist, sodass sich jede der Brücken axial über eine jeweilige der inneren Brücken erstreckt und diese überspannt, wobei jede der inneren Brücken entgegengesetzte Enden aufweist, die vierte Anschlüsse definieren, die zum Passeingriff mit jeweiligen dritten Anschlüssen konfiguriert sind, wobei einer von dem dritten und vierten Anschluss in einen anderen von den dritten und vierten Anschluss eingeführt ist, und wobei die dritte Wicklungsbaugruppe eine Vielzahl von Löchern definiert, durch die sich die erste und die zweite Stütze erstrecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 16685029 [0024, 0028]

Claims

Stator für eine elektrische Maschine, das Folgendes umfasst: einen Kern, der eine Vielzahl von Schlitzen definiert, die sich parallel zu einer Mittelachse des Kerns erstreckt, geschichtete Lagen, die dazu angeordnet sind, eine erste Wicklungsbaugruppe zu bilden, die eine erste Vielzahl von U-förmigen Leitern umfasst, von denen jeder eine erste und eine zweite Stütze, die in einem anderen der Schlitze angeordnet ist, umfasst, und wobei die erste Wicklungsbaugruppe ferner eine Vielzahl von Wicklungsköpfen umfasst, die jeweilige Paare der ersten und zweiten Stützen verbinden und einer ersten Endfläche des Kerns benachbart angeordnet sind, wobei Enden der Stützen, die distal der Wicklungsköpfe liegen, erste Anschlüsse definieren, die axial über eine zweite Endfläche des Kerns herausragen; und eine zweite Wicklungsbaugruppe, die eine Vielzahl von Brücken umfasst, die jeweils gegenüberliegende Enden aufweisen, die zweite Anschlüsse definieren, die zum Passeingriff mit entsprechenden ersten Anschlüssen konfiguriert sind, wobei einer von dem ersten und dem zweiten Anschluss in einen anderen von dem ersten und dem zweiten Anschluss eingeführt ist.
Stator nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Brücken in einem Ring angeordnet ist und die zweite Wicklungsbaugruppe ferner ein elektrisch nicht leitfähiges Gehäuse umfasst, das den Ring auf einer in Umfangsrichtung äußeren Fläche davon und auf einer radial inneren Fläche davon umschließt.
Stator nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der ersten Anschlüsse einen Zapfen umfasst und der entsprechende eine der zweiten Anschlüsse, der damit in Eingriff steht, ein Zapfenloch umfasst, sodass mindestens eine der Brücken durch eine Zapfenloch-Zapfen-Verbindung an die jeweilige Stütze gekoppelt ist.
Stator nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der ersten Anschlüsse eine Nut definiert und der jeweilige eine der zweiten Anschlüsse, der damit in Eingriff steht, eine Feder umfasst, sodass die Brücken durch eine Nut-Feder-Verbindung an jeweilige Stützen gekoppelt ist.
Stator nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der ersten Anschlüsse einen Stift umfasst und der passende der zweiten Anschlüsse einen Kolben umfasst, sodass die Brücken durch eine Stoßverbindung an jeweilige Stützen gekoppelt sind.
Stator nach Anspruch 1, wobei die erste Stütze sich radial näher an der Längsachse befindet als die zweite Stütze, und radial benachbarte Wicklungsköpfe in einer radial verschachtelten Beziehung zueinander angeordnet sind, ohne einander zu überkreuzen.
Stator nach Anspruch 1, wobei: die erste Wicklungsbaugruppe ferner eine Vielzahl von U-förmigen äußeren Leitern umfasst, die jeweils eine dritte Stütze, die in einem dritten der Schlitze angeordnet ist, eine vierte Stütze, die in einem vierten der Schlitze angeordnet ist, und einen äußeren Wicklungskopf, der die dritte und vierte Stütze verbindet und sich axial über den Wicklungskopf eines der Leiter erstreckt und diesen überspannt, umfasst, wobei die Enden der dritten und vierten Stütze, die distal der äußeren Wicklungsköpfe liegen, dritte Anschlüsse definieren; und der Stator ferner eine dritte Wicklungsbaugruppe umfasst, die eine Vielzahl von inneren Brücken umfasst und axial zwischen dem Kern und der zweiten Wicklungsbaugruppe angeordnet ist, sodass sich jede der Brücken axial über eine jeweilige der inneren Brücken erstreckt und diese überspannt, wobei jede der inneren Brücken gegenüberliegende Enden aufweist, die vierte Anschlüsse definieren, die zum Passeingriff mit jeweiligen dritten Anschlüssen konfiguriert sind, wobei einer von dem dritten und dem vierten Anschluss in einen anderen von dem dritten und dem vierten Anschluss eingeführt ist, und wobei die dritte Wicklungsbaugruppe eine Vielzahl von Löchern definiert, durch die sich jeweilige der ersten und zweiten Stützen erstrecken.
Stator nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl von inneren Brücken in einem Ring angeordnet ist und die dritte Wicklungsbaugruppe ferner ein elektrisch nicht leitfähiges Gehäuse umfasst, das den Ring auf einer in Umfangsrichtung äußeren Fläche davon und auf einer radial inneren Fläche davon umschließt.
Stator nach Anspruch 7, wobei die dritte Stütze sich radial näher an der Längsachse befindet als die vierte Stütze und radial benachbarte Wicklungsköpfe in einer radial verschachtelten Beziehung zueinander angeordnet sind, ohne einander zu überkreuzen.
Stator nach Anspruch 7, wobei mindestens einer der dritten Anschlüsse einen Zapfen umfasst und der entsprechende eine der vierten Anschlüsse, der damit in Eingriff steht, ein Zapfenloch umfasst, sodass mindestens eine der inneren Brücken durch eine Zapfenloch-Zapfen-Verbindung an die jeweilige Stütze gekoppelt ist.
Stator nach Anspruch 7, wobei mindestens einer der dritten Anschlüsse eine Nut definiert und der jeweilige eine der vierten Anschlüsse, der damit in Eingriff steht, eine Feder umfasst, sodass die inneren Brücken durch eine Nut-Feder-Verbindung an die jeweiligen Stützen gekoppelt ist.
Verfahren zur Fertigung einer elektrischen Maschine, das Folgendes umfasst: Bilden eines Kerns, der eine Vielzahl von Schlitzen definiert, die sich parallel zu einer Mittelachse des Kerns erstreckt, Anordnen geschichteter Lagen, um eine erste Wicklungsbaugruppe zu bilden, die eine Vielzahl von U-förmigen Leitern umfasst, die jeweils einen Wicklungskopf, bei dem sich eine Stütze von gegenüberliegenden Enden davon erstreckt, aufweisen; Ineinandergreifen der ersten Wicklungsbaugruppe mit dem Kern, sodass die Wicklungsköpfe einem ersten axialen Ende des Kerns benachbart sind und die Stützen in jeweiligen Schlitzen angeordnet sind und erste Anschlüsse, die an Enden der Stützen, die distal der jeweiligen Wicklungsköpfe liegen, definiert sind, axial über eine zweite axiale Endfläche des Kerns herausragen; Bilden einer zweiten Wicklungsbaugruppe, die eine Vielzahl von Brücken umfasst, wobei gegenüberliegende Enden der Brücken zweite Anschlüsse zum Passeingriff mit jeweiligen der ersten Anschlüsse umfassen; und Platzieren der zweiten Wicklungsbaugruppe der zweiten Endfläche des Kerns benachbart, sodass einer des ersten und zweiten Anschlusses in einen anderen des ersten und zweiten Anschlusses eingeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zweite Wicklungsbaugruppe ferner ein elektrisch nicht leitfähiges Gehäuse umfasst, wobei mindestens eine der Vielzahl von Brücken in das Gehäuse eingebettet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Vielzahl von Brücken in einem Ring angeordnet ist und das Gehäuse den Ring auf einer in Umfangsrichtung äußeren Fläche davon und auf einer radial inneren Fläche davon umschließt.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner Folgendes umfasst: Anordnen der geschichtete Lagen, sodass die erste Wicklungsbaugruppe ferner eine Vielzahl von U-förmigen äußeren Leitern umfasst, die jeweils einen äußeren Wicklungskopf, bei dem sich eine äußere Stütze von gegenüberliegenden Enden davon erstreckt, umfassen, wobei jeder äußere Wicklungskopf sich axial über den Wicklungskopf eines jeweiligen der Leiter erstreckt und diesen überspannt, wodurch das Ineinandergreifen der ersten Wicklungsbaugruppe mit dem Kern die äußeren Stützen in entsprechenden Schlitzen platziert und dritte Anschlüsse, die an Enden der äußeren Stützen, die distal von jeweiligen Wicklungsköpfe liegen, definiert sind, um eine kürzere Entfernung als die ersten Anschlüsse axial über die zweite axiale Endfläche des Kerns herausragen; Bilden einer dritten Wicklungsbaugruppe, die eine Vielzahl von inneren Brücken umfasst, die gegenüberliegende Enden aufweisen, die vierte Anschlüsse zum Passeingriff mit jeweiligen der dritten Anschlüsse umfassen, und wobei die dritte Wicklungsbaugruppe eine Vielzahl von Löchern definiert; und vor dem Schritt des Platzierens der zweiten Wicklungsbaugruppe Platzieren der benachbarten dritten Wicklungsbaugruppe der zweiten Endfläche des Kerns benachbart, sodass die dritten Anschlüsse in entsprechende vierte Anschlüsse eingreifen und sich die Stützen durch jeweiligen Löcher erstrecken, sodass das anschließende Platzieren der zweiten Wicklungsbaugruppe die Brücken der zweiten Wicklungsbaugruppe in axial überspannenden Positionen über die jeweiligen inneren Brücken platziert.