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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Statoranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Montage einer Sammelschieneneinheit auf einem Stator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
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Ein bürstenloser Elektromotor als elektrische Drehstrommaschine weist einen Stator mit einer Anzahl von beispielsweise sternförmig angeordneten Statorzähnen auf, welche eine elektrische Statorwicklung in Form einzelner Statorspulen tragen, die ihrerseits aus einem Isolierdraht gewickelt sind. Die Spulen sind mit deren Spulenenden einzelnen Strängen zugeordnet und untereinander in einer vorbestimmten Weise über gemeinsame Verbindungsleiter verschaltet. Im Falle eines bürstenlosen Elektromotors als dreiphasige Drehstrommaschine weist der Stator drei Stränge und damit zumindest drei Verbindungsleiter auf, die jeweils phasenversetzt mit elektrischem Strom beaufschlagt werden, um ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen, in dem ein üblicherweise mit Permanentmagneten versehener Rotor oder Läufer rotiert. Die Verbindungsleiter werden zur Ansteuerung des Elektromotors an eine Motorelektronik geführt. Die Spulen der Statorwicklung werden mittels der Verbindungsleiter in bestimmter Weise miteinander verschaltet. Die Art der Verschaltung ist durch das Wickelschema der Statorwicklung bestimmt, wobei als Wickelschema eine Sternschaltung oder eine Dreiecksschaltung der Spulen üblich ist.
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Herkömmlicherweise sind die Verbindungsleiter in Form von Stromschienen ausgeführt, die als Stanz-Biegeteile aus einem Kupfermaterial hergestellt sind.
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Hierzu werden aus einem entsprechenden Blechmaterial die Stromschienen inklusive einer Anzahl von haken- und/oder steckzungenförmigen Kontaktelementen ausgestanzt und die dadurch gebildete Stromschiene ringförmig gebogen.
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In einem Dreiphasen-Motor können dabei drei erste Sammelschienen vorgesehen sein, mit denen Endabschnitte auf einer Seite der Wicklungsdrähte der drei Spulengruppen jeweils verbunden sind, und die jeweils einen Außenverbindungsanschluss umfassen, sowie eine zweite Sammelschiene für einen Neutralpunkt, mit der Endabschnitte auf der anderen Seite der Wicklungsdrähte der drei Spulengruppen verbunden sind, und ein Sammelschienenhalter, der die drei ersten Sammelschienen und die zweite Sammelschiene hält. Es ist bekannt, zweiteilige Motorgehäuse zu verwenden. In diese Motorgehäuse wird nachdem die Sammelschieneneinheit auf die Oberseite des Stators aufgesetzt wurde, die Anordnung mit der Sammelschieneneinheit vorausgehend eingesetzt. Bei einer solchen Montage ist der Raum zwischen Motorgehäuse und Statoranordnung begrenzt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Statoranordnung umfasst, die besonders kompakt ist.
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Diese Aufgabe wird von einer Statoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem bürstenlosen Elektromotor aufweisend eine solche Statoranordnung und einem Verfahren zur Montage einer Sammelschieneneinheit auf einem Stator mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Zum Zwecke der geometrischen Beschreibung der Statoranordnung wird bezüglich der Längsachse der Statoranordnung bzw. des Stators von einer Radialrichtung gesprochen, die den Abstand von der Längsachse angibt, sowie von einer Umfangsrichtung, die tangential zu einem bestimmten in Radialrichtung angeordneten Radius ausgezeichnet ist. Die Anschlussseite des Stators, an der die Wicklungsdrähte mit der Stromschienenanordnung verbunden werden, wird als Oberseite des Stators beschrieben.
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Demnach ist eine Statoranordnung vorgesehen, aufweisend
- - einen Stator, der einen Statorkern mit einer Mehrzahl von Statorkernsegmenten umfasst, die jeweils zumindest teilweise von einem Isolator umgeben sind, der eine Wickelkammer mit einem Wickelraum aufweist, wobei der Wickelraum auf der Außenseite von einem Außenflansch begrenzt ist und in dem Wickelraum um das Statorkernsegment jeweils eine gewickelte Spule angeordnet ist, und
- - eine auf der Oberseite des Stators angeordnete Sammelschieneneinheit, die einen Sammelschienenhalter und darin angeordnete Sammelschienen aufweist, wobei die Spulen mit den Sammelschienen kontaktiert sind.
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Der Sammelschienenhalter hat einen ringförmigen Grundkörper, von dem sich in Radialrichtung zur Längsachse der Statoranordnung Vorsprünge erstrecken, die jeweils auf einer Oberseite eines Isolators aufliegen, so dass der Sammelschienenhalter in Längsrichtung und Radialrichtung relativ zum Stator positioniert ist.
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Diese Art der Positionierung ist besonders bauraumsparend und einfach umzusetzen.
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Um die Anordnung kompakt zu halten, ist es vorteilhaft, wenn der Sammelschienenhalter ausschließlich im Bereich der Vorsprünge in Anlage mit den Isolatoren steht.
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Um die Teilevielfalt gering zu halten, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Außenflansch jedes Isolators eine stirnseitige Ausnehmung aufweist, und die Vorsprünge jeweils in eine Ausnehmung des Außenflanschs eingreifen.
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Vorzugsweise schließen die Vorsprünge mit der Außenseite des Außenflansches bündig ab, so dass die Statoranordnung in Radialrichtung besonders kompakt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Vorsprünge im wesentlichen L-Förmig und liegen mit einem ersten Schenkel an der Innenseite des Außenflansches an und greifen mit einem zweiten Schenkel in die entsprechende Ausnehmung des Außenflansches.
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Es ist bevorzugt vorgesehen, dass der Sammelschienenhalter wenigstens drei zueinander gleichmäßig beabstandete Vorsprünge aufweist. Die übrigen Ausnehmungen der Isolatoren bleiben dann frei und in leidlich drei Ausnehmungen greifen Vorsprünge ein.
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Vorzugsweise stehen die Vorsprünge nach oben über die jeweiligen Ausnehmungen über.
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Damit die Anordnung besonders kompakt ist, ist der Grundkörper des Sammelschienenhalters in Draufsicht von oben bevorzugt innerhalb der Außenflansche der Isolatoren angeordnet.
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Weiterhin ist ein bürstenloser Elektromotor mit
- - einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist, und
- - einer zuvor beschriebenen Statoranordnung, wobei der Rotor außen von dem Stator umgeben ist, sowie
- - einem zweiteiligen Motorgehäuse, in dem der Rotor und die Statoranordnung aufgenommen sind, vorgesehen.
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Außerdem ist ein Verfahren zur Montage einer Sammelschieneneinheit auf einem Stator vorgesehen. Der Stator umfasst einen Statorkern mit einer Mehrzahl von Statorkernsegmenten, die jeweils zumindest teilweise von einem Isolator umgeben sind, der eine Wickelkammer mit einem Wickelraum aufweist, wobei der Wickelraum auf der Außenseite von einem Außenflansch begrenzt ist und in dem Wickelraum um das Statorkernsegment jeweils eine gewickelte Spule angeordnet ist, die aus einem Wicklungsdraht mit einem ersten Wicklungsdrahtende auf einer Seite und einem zweiten Wicklungsdrahtende auf der anderen Seite des Wicklungsdrahtes gebildet sind, wobei die Sammelschieneneinheit einen Sammelschienenhalter umfasst, in dem Sammelschienen angeordnet sind, und das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- a) Aufsetzen des Sammelschienenhalters auf die Oberseite des Stators, wobei der Sammelschienenhalter Vorsprünge aufweist, die beim Aufsetzen jeweils in eine oberseitige Ausnehmung des Außenflansches des Isolators greifen, so dass der Sammelschienenhalter in Längsrichtung und Radialrichtung relativ zum Stator positioniert ist,
- b) Kontaktieren der Wicklungsdrahtenden mit der jeweiligen Sammelschiene.
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Es ergeben sich die oben genannten Vorteile, dass die Statoranordnung besonders kompakt ist. Die Statoranordnung kann, wie vorstehend beschrieben, ausgebildet sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
- 1: eine Draufsicht auf einen Stator mit stirnseitig angeordneter Sammelschieneneinheit,
- 2: eine Detailansicht der Sammelschieneneinheit aus 1,
- 3: einen Längsschnitt durch einen Bereich des Stators und der Sammelschieneneinheit der 1, sowie
- 4: eine schematische Darstellung der Montage des Stators in einem Motorgehäuse.
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1 zeigt eine Anordnung eines Stators 1 mit auf der Oberseite aufgesetzter Sammelschieneneinheit 2. Die Sammelschieneneinheit 2 umfasst einen Sammelschienenhalter 22 und drei in dem Sammelschienenhalter 22 gehaltene Sammelschienen 3,4,5. Die Sammelschienen 3,4,5 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer. Der Sammelschienenhalter 22 besteht wenigstens zum Teil oder vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass Kurzschlüsse zwischen den Sammelschienen 3,4,5 effektiv verhindert werden können. Der Sammelschienenhalter 22 ist bevorzugt durch Spritzgießen hergestellt und erstreckt sich über einen Großteil der Sammelschienen 3,4,5. Auf diese Weise kann eine feste und wohldefinierte physische Verbindung zwischen dem Sammelschienenhalter 22 und den Sammelschienen 3,4,5 bereitgestellt werden. Die drei Sammelschienen sind jeweils einer Phase U,V,W zugeordnet. Eine weitere vierte Sammelschiene 6 bildet einen Neutralpunkt. Mit dieser vierten Sammelschiene 6 sind die anderen Enden der Wicklungsdrähte der Spulen verbunden.
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Der Stator 1 weist einen Statorkern 7, welcher sich koaxial zu einer Längsachse 100 erstreckt und eine Mehrzahl von nicht ersichtlichen Statorkernsegmenten auf, um welche herum jeweils Spulen 8 gewickelt sind. Die Statorkernsegmente sind aufeinanderfolgend in Umfangsrichtung des Stators 1 angeordnet. Die Statorkernsegmente können wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material, wie etwa aus ferromagnetischem Stahl, hergestellt sein. Der Stator 1 wird fest innerhalb eines nicht dargestellten Gehäuses eines Elektromotors montiert und ist dazu eingerichtet, ein zeitveränderliches Magnetfeld mittels der Spulen 8 zu erzeugen. Ein nicht dargestellter magnetisierter Rotor wird dabei in der zentralen Öffnung des Stators 9 montiert. Er ist dazu eingerichtet, durch eine Wechselwirkung mit dem von den Spulen 8 erzeugten zeitveränderlichen Magnetfeld gedreht zu werden. Die Sammelschieneneinheit 2 ist dazu eingerichtet, die Spulen 8 des Stators mittels der Sammelschienen 3,4,5,6 elektrisch zu kontaktieren. Die Spulen 8 sind in drei Phasengruppen U, V, W gruppiert.
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Die Spulen 8 sind einzeln gewickelt und die Wicklungsdrahtenden 10,11 liegen im Außenbereich des Statorkernsegmentes bzw. des das Statorkernsegment umgebenden Isolators 12, hier insbesondere im Bereich des Außenflanschs des Isolators. Die Wicklungsdrahtenden 10,11 sind in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet. Entsprechend sind auch die Spulenverbindungsanschlusselemente der Sammelschieneneinheit 12, die dazu eingerichtet sind, jeweils mit einem Wicklungsdrahtende der Spulen des Stators 10,11 elektrisch verbunden zu werden, in Umfangsrichtung gleichmäßig beanstandet angeordnet.
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Eine Kontaktierung mit den Wicklungsdrahtenden 10,11 ist in dem dargestellten Beispiel noch nicht erfolgt. In einem nächsten Prozessschritt werden die Wicklungsdrahtenden 10,11 an die Spulenverbindungsanschlusselemente 12 vollständig automatisiert angeschweißt, dies ist aufgrund des Abstands und der Lage der Wicklungsdrahtenden 10,11 auf einer gemeinsamen Seite möglich.
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Jede der drei Sammelschienen 3,4,5 weist ein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement 13 auf, welches dazu eingerichtet ist, mit einer Leistungsquelle elektrisch verbunden zu werden.
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Die Isolatoren 12 weisen im Bereich des Außenflansches auf der Oberseite jeweils eine Ausnehmung 14 auf. In die Ausnehmung 14 jedes vierten Isolators, in Umfangsrichtung des Stators gesehen, greift ein in Radialrichtung auskragender Vorsprung 15 des Sammelschienenhalters 22 ein, um den Sammelschienenhalter 22 relativ zum Stator in Rotationsrichtung bzw. Umfangsrichtung zu positionieren und auf der Oberseite mit definierter Lage in Längsrichtung abzustützen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Vorsprünge 15 an dem Sammelschienenhalter vorgesehen. Da die Vorsprünge 15 nicht in Radialrichtung über den Isolator 12 vorstehen, hat die Abstützung des Sammelschienenhalters 22 auf der Oberseite der Isolatoren 12 keinen Einfluss auf die Bauraumgröße der Statoranordnung.
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In 2 ist im Detail der Sammelschienenhalter 22 dargestellt. Der Sammelschienenhalter weist einen ringförmigen Grundkörper 16 auf, von dem in Radialrichtung nach außen die Vorsprünge 15 abgehen. Die Vorsprünge 15 sind in einem Schnitt entlang der Längsachse in Radialrichtung, im Profil etwa L-förmig ausgebildet. Ein erster Schenkel der Vorsprünge 17 erstreckt entlang der Außenseite des Grundkörpers 16 in Längsrichtung und über die gesamte Höhe des Grundkörpers und ragt auf der Unterseite etwas über. Ein dazu senkrecht angeordneter zweiter Schenkel 18 erstreckt sich in Radialrichtung. Der zweite Schenkel 18 geht von dem ersten Schenkel 17 an einem oberen Ende ab.
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3 zeigt im Längsschnitt das Ineinandergreifen zwischen Sammelschienenhalter 22 und Isolator 12. Der Isolator 12 weist eine Wickelkammer 19 mit einem Wickelraum auf, wobei der Wickelraum in Radialrichtung auf einer Innenseite von einem Innenflansch 20 und auf der Außenseite von dem Außenflansch 21 begrenzt ist. Der zweite Schenkel des Vorsprungs 18 ist so dimensioniert, dass er die Ausnehmung auf der Oberseite des Außenflansches des Isolators 14 ausfüllt und nach außen hin bündig mit dem Isolator 12 bzw. dem Außenflansch 21 abschließt. Der erste Schenkel 17 liegt mit seiner Außenseite auf der Innenseite des Außenflansches des Isolators 18 an. Auf diese Weise wird eine genaue und sichere Positionierung der Sammelschieneneinheit 2 auf dem Stator 1 erzielt. Um die Teileanzahl zu minimieren, sind alle Isolatoren des Stators 12 identisch ausgebildet.
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4 zeigt ein zweiteiliges Motorgehäuse 23 in das die Statoranordnung 24, bestehend aus Stator 1 und Sammelschieneneinheit 2 eingesetzt wird. Nachdem die Sammelschieneneinheit 2 auf der Oberseite der Isolatoren 12 positioniert wurde, wird die Statoranordnung 24 in Längsrichtung, mit der Sammelschieneneinheit 2 vorauseilend eigesetzt. Der in der Figur dargestellte Pfeil verdeutlicht die Montagerichtung.
