-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verschaltungsring für den Stator einer elektrischen Maschine, umfassend ein Gehäuse mit einer Mehrzahl nutartiger Ausnehmungen, sowie eine Mehrzahl von insbesondere kreisringförmig oder kreisringsegmentförmig ausgebildeten Stromschienen, die in den nutartigen Ausnehmungen angeordnet sind. Dabei sind die Stromschienen ausgebildet einen elektrischen Kontakt zwischen den Wicklungsdrahtenden der Statorwicklungen und den Kontaktanschlüssen einer Leistungselektronik zur Ansteuerung der elektrischen Maschine herzustellen und ist bei zumindest einer der Stromschienen der Kontakt zu den Kontaktanschlüssen der Leistungselektronik über einen Stromschienenanschlussbereich mit einer Schraubverbindung realisiert. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Verschaltungsring sowie eine elektrische Maschine mit einem derartig aufgebauten Stator. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Stator für eine elektrische Maschine, aufweisend einen erfindungsgemäßen Verschaltungsring, sowie eine elektrische Maschine als solche, umfassend einen derartigen Stator.
-
Stand der Technik
-
In vielen industriellen Anwendungen und zunehmend auch in der Automobilindustrie werden insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) eingesetzt. Eine solche elektrische Maschine umfasst einen zu bestromenden Stator und einen permanenterregten Rotor. Der Stator ist zumeist gebildet durch einen Statorkörper mit Drahtwicklungen, einen Statorträger, einen Verschaltungsring und ein Terminal zur Anbindung an eine Leistungselektronik (LE).
-
E-Maschinen mit konzentrierter Wicklung besitzen eine unterschiedliche Anzahl an sogenannten Statorzähnen. Häufig bilden dabei drei aufeinanderfolgende Zähne ein Polpaar. Für E-Maschinen mit konzentrierter Wicklung und Sternverschaltung müssen die einzelnen Polpaare, also bspw. drei Zähne miteinander gekoppelt bzw. elektrisch verbunden werden. Die Realisierung und Zugänglichkeit dieses Sternpunktes wird oft durch den zur Verfügung stehenden Bauraum begrenzt.
-
Die Varianz und Integration einer Vielzahl von verschiedenen Subsystemen führt dazu, dass immer mehr Komponenten in einen kleinen Bauraum integriert werden müssen. Die E-Maschine ist häufig dreiphasig aufgebaut. Die Schnittstelle zur Leistungselektronik wird über die Hochvoltkontaktierung, auch HV-Terminal genannt, realisiert. In der Regel wird die Leistungselektronik über drei starre Stromschienen mit der E-Maschine angebunden, wobei die mechanische und elektrische Verbindung zumeist über eine Schraubverbindung oder Ähnliches erfolgt.
-
Aus der
DE 10 2018 119 831 A1 ist bereits eine elektrische Maschine umfassend einen Stator mit an Statorzähnen angeordneten konzentrierten Wicklungen sowie umfassend wenigstens einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur einer Wicklung bekannt. Dabei ist ein Statorbauteil als Verschaltungsring ausgebildet, der beispielsweise einen oder mehrere metallene Verschaltungsleiterringe trägt.
-
Ferner ist aus der
US 2019/0372422 A1 eine Kontaktierungseinrichtung zur elektrischen Anbindung der Wicklungsdrahtenden der Statorwicklungen an Kontaktanschlüsse einer Leistungselektronik bekannt bei der die korrespondierenden zu verbindenden Leiterenden mittels einer Pressverbindung miteinander elektrisch verbunden werden.
-
Aufgabe
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Verschaltungsring für den Stator einer elektrischen Maschine bereitzustellen, der im Hinblick auf die mechanisch-elektrische Anbindung der Statorwicklungsdrahtenden an die Anschlüsse einer elektrischen Leistungselektronik weiter verbessert ist. Insbesondere soll die mechanische Verbindung der elektrischen Kontaktierung verbessert werden, auch wenn ggf. größere Toleranzschwankungen bei den mechanischen Verbindungskomponenten vorliegen.
-
Lösung
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Verschaltungsring für den Stator einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Stator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
-
Ein erfindungsgemäßer Verschaltungsring für den Stator einer elektrischen Maschine, umfasst
- - ein Gehäuse mit einer Mehrzahl nutartiger Ausnehmungen, sowie
- - eine Mehrzahl von insbesondere kreisringförmig oder kreisringsegmentförmig ausgebildeten Stromschienen, die in den nutartigen Ausnehmungen angeordnet sind, wobei die Stromschienen ausgebildet sind einen elektrischen Kontakt zwischen den Wicklungsdrahtenden der Statorwicklungen und den Kontaktanschlüssen einer Leistungselektronik zur Ansteuerung der elektrischen Maschine herzustellen, und wobei bei zumindest einer der Stromschienen der Kontakt zu den Kontaktanschlüssen der Leistungselektronik über einen Stromschienenanschlussbereich mit einer Schraubverbindung realisiert ist. Gemäß der Erfindung weist die Schraubverbindung eine Schraubmutter auf, die lose in einem Aufnahmeraum einer Aufnahme unterhalb einer Durchgangsöffnung des Stromschienenanschlussbereichs anordenbar ist. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass der mechanisch-elektrischen Verbindungsstelle eine gewisse Elastizität verliehen wird, so dass die Toleranzkette der Hochvoltschnittstelle besser handhabbar ist und eine Verbindung zwischen Leistungselektronik und den Stromschienen des Verschaltungsrings montagefreundlicher ausgestaltet ist.
-
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Relevanz oder ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
-
Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
-
Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken.
-
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Insbesondere wird von einem Rotor gesprochen, wenn es auch einen Stator gibt.
-
Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
-
Eine Statorwicklung ist ein elektrisch leitfähiger Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als sein Durchmesser. Die Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnitts-formen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet. Bevorzugt weist eine Statorwicklung eine Isolierung auf. Zur Isolierung der Statorwicklung kann beispielsweise Glimmerpapier, welches aus mechanischen Gründen durch einen Glasgewebeträger verstärkt sein kann, in Bandform um eine oder mehrere Statorwicklungen gewickelt sein, welche mittels eines aushärtenden Harzes im-prägniert sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine aushärtbare Lackschicht oh-ne ein Glimmerpapier zu verwenden, um eine Statorwicklung zu isolieren.
-
Bei einer elektrischen Maschine mit konzentrierter Wicklung kann die Verschaltung der einzelnen, um den Umfang verteilten Wicklungen beispielsweise über einen Verschaltungsring oder mehrere Verschaltungsringe erfolgen. Hierbei können üblicherweise aus Kupfer bestehende Stromschienen an oder in einem gemeinsamen oder separaten Trägerringen aus Kunststoff angeordnet sein. Gelegentlich wurden diese Art von Verschaltungsringen auch als Schaltringe oder Kontaktbrücken bezeichnet.
-
Derartige Verschaltungsringe werden in der Regel axial auf das Wicklungspaket aufgesetzt.
-
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.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Aufnahme aus Isoliermaterial, insbesondere aus einem Kunststoff oder Kunststoffkompositmaterial, gebildet ist, wodurch eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht wird.
-
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Aufnahmeraum der Aufnahme topfartig und mit einem geschlossenen Boden ausgebildet ist, derart, dass ein in die Schraubmutter eingeschraubtes Schraubenelement bodenseitig im Aufnahmeraum der Aufnahme elektrisch isoliert ist. Hierdurch wird eine konstruktiv vereinfachte und im Hinblick auf die Isolation verbesserte Aufnahme der Befestigungselemente (Schraube/Mutter) erreicht.
-
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Aufnahme in ihrem Aufnahmeraum umfänglich die geometrische Kontur der Schraubmutter aufweist, so dass die in den Aufnahmeraum eingeführte Schraubmutter gegen ein Verdrehen innerhalb des Aufnahmeraums gesichert ist. Durch diese vorteilhafte Konstruktion kann auf weitere separate Verdrehsicherungselemente verzichtet werden, was wiederum die Montage vereinfacht und die Kosten senkt.
-
Mit Vorteil ist die Aufnahme als separates Bauteil ausgebildet, welches kraft- und/oder formschlüssig an der Stromschiene befestigbar ist. Hierdurch wird eine Lösung bereitgestellt, die einfach zu montieren und im Falle einer Beschädigung leicht auswechselbar gestaltet ist.
-
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Aufnahme einen Befestigungsarm mit Rastmitteln aufweist, über den die Aufnahme unverlierbar und insbesondere lösbar an der Stromschiene befestigbar ist. Somit ist eine konstruktiv einfache Lösung gefunden und eine positionssichere Befestigung der Aufnahme gewährleistet. Alternativ hierzu kann die Aufnahme auch als separates Bauteil ausgebildet sein, welches kraft- und/oder formschlüssig am Gehäuse des Verschaltungsrings befestigbar ist.
-
Besonders bevorzugt weist die Aufnahme zumindest zwei, bevorzugt genau drei, benachbart angeordnete Aufnahmeräume zur Aufnahme jeweils einer Schraubmutter auf, wobei jeder Aufnahmeraum einer Stromschiene einer anderen Phase (u, v, w) zugeordnet ist. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass im Rahmen einer einfachen und kostengünstigen Herstellung gleich mehrere Aufnahmen bereitgestellt werden können.
-
Darüber hinaus wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch einen Stator mit einem erfindungsgemäßen Verschaltungsring, wie er vorstehend beschrieben ist sowie durch eine elektrische Maschine mit einem derartigen Stator mit erfindungsgemäß aufgebautem Verschaltungsring.
-
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 einen Verschaltungsring gemäß dem Stand der Technik in einer Perspektivansicht in zwei verschiedenen Ansichten,
- 2 einen Verschaltungsring gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer Perspektivdarstellung, oben, und in einer vergrößerten Detaildarstellung in einer Schnittdarstellung (unten),
- 3 die Aufnahme gemäß 2 in drei verschiedenen Ansichten,
- 4 einen Verschaltungsring gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer Perspektivdarstellung (oben), und in einer vergrößerten Detaildarstellung in einer Teil-Schnittdarstellung (unten), und
- 5 die Aufnahme gemäß 4, mit insgesamt drei einzelnen Aufnahmeräumen, in einer Perspektivdarstellung.
-
Figurenbeschreibung/Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt einen Verschaltungsring 1 gemäß dem Stand der Technik in einer Perspektivansicht in zwei verschiedenen Ansichten. In der oberen Darstellung ist ein Verschaltungsring 1 in einem Teilausschnitt gezeigt, wobei der Verschaltungsring 1 Stromschienen 12 für drei Phasen (u, v, w) und einen Sternpunkt zeigt. Im gezeigten Stromschienenanschlussbereich 100 einer jeden Stromschiene 12 ist jeweils von unten eine Schraubmutter 120a in Form einer Gewindebuchse fest mit der Stromschiene verbunden (bspw. geschweißt oder verpresst oder dergleichen). In der unteren Darstellung ist diese Anbindung noch einmal in vergrößerter Ansicht in einer Schnittdarstellung gezeigt.
-
2 zeigt ausschnittsweise einen Verschaltungsring 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer Perspektivdarstellung, oben, und in einer vergrößerten Detaildarstellung in einer Schnittdarstellung, unten. Der gezeigte Verschaltungsring1 umfasst dabei ein Gehäuse 10 mit einer Mehrzahl nutartiger Ausnehmungen 11, sowie eine Mehrzahl von kreisringförmig oder kreisringsegmentförmig ausgebildeten Stromschienen 12, die in den nutartigen Ausnehmungen 11 angeordnet sind. Die Stromschienen 12 sind ausgebildet einen elektrischen Kontakt zwischen den Wicklungsdrahtenden der Statorwicklungen und den Kontaktanschlüssen einer Leistungselektronik zur Ansteuerung der elektrischen Maschine herzustellen. Dabei ist der Kontakt zu den Kontaktanschlüssen der nicht gezeigten Leistungselektronik über einen Stromschienenanschlussbereich 100 mit einer Schraubverbindung 120 realisiert. Die Schraubverbindung 120 weist dafür eine Schraubmutter 120a auf, welche lose in einem Aufnahmeraum 110 einer Aufnahme 121 unterhalb einer Durchgangsöffnung 122 des Stromschienenanschlussbereichs 100 angeordnet ist. Die Aufnahme 121 ist dabei aus Isoliermaterial, insbesondere aus einem Kunststoff oder Kunststoffkompositmaterial, gebildet. Der Figur ist auch gut entnehmbar, dass der Aufnahmeraum 110 der Aufnahme 121 topfartig ausgebildet ist, wobei der Boden eine kreisrunde Öffnung zur Führung eines zylindrischen Fortsatzes einer Schraubmutter 120a aufweist. In der dargestellten Ausführungsform weist die Aufnahme 121 einen ersten Aufnahmeteil auf, mit dem die Aufnahme 121 oben auf dem Stromschienenanschlussbereich 100 aufliegt, einen zweiten Aufnahmebereich, mit dem die Aufnahme 121 von unten an dem Stromschienenanschlussbereich 100 anliegt und einen mittleren als Befestigungsarm 121a ausgebildeten Bereich.
-
3 zeigt die Aufnahme 121 gemäß 2 in drei verschiedenen Ansichten. In der oberen und der mittleren Ansicht ist die Aufnahme 121 jeweils in einer unterschiedlichen Perspektivansicht gezeigt, während in der unteren Darstellung eine vergrößerte Schnittdarstellung im Bereich des Aufnahmeraums 110 gezeigt ist. Gut zu erkennen ist, dass die Aufnahme 121 an ihrem einen Ende den Aufnahmeraum 110 zur verdrehsicheren Aufnahme der Schraubmutter 120a ausbildet und an ihrem anderen Ende auf ihrer Unterseite Rastmittel 121b zur Anbindung an den Stromschienenanschlussbereich 100 ausgebildet hat.
-
Die Aufnahme 121 zeichnet in ihrem Aufnahmeraum 110 umfänglich die geometrische Kontur der Schraubmutter 120a nach, so dass die in den Aufnahmeraum 110 eingeführte Schraubmutter 120a gegen ein Verdrehen innerhalb des Aufnahmeraums 110 gesichert ist. Die Figur zeigt des Weiteren, dass die Aufnahme 121 als separates Bauteil ausgebildet ist, welches über die Rastverbindung und weitere Geometrieabschnitte kraftformschlüssig bzw. formschlüssig an der Stromschiene 12 befestigbar ist. In der Figur ist ferner gezeigt, dass die Aufnahme 121 einen Befestigungsarm 121a mit Rastmitteln 121b aufweist, über den die Aufnahme 121 unverlierbar und insbesondere lösbar an der Stromschiene 12 befestigbar ist.
-
Was der 3 auch entnommen werden kann ist, dass die Aufnahme 121 als separates Bauteil ausgebildet ist, welches kraft- und/oder formschlüssig am Gehäuse 10 des Verschaltungsrings 1 befestigbar ist.
-
4 zeigt einen Verschaltungsring 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer Perspektivdarstellung (oben), und in einer vergrößerten Detaildarstellung in einer Teil-Schnittdarstellung (unten). 5 zeigt die Aufnahme 121 gemäß 4, mit insgesamt drei einzelnen Aufnahmeräumen 110, in einer Perspektivdarstellung. Die Aufnahme 121 weist insgesamt drei benachbart angeordnete Aufnahmeräume 110 zur Aufnahme jeweils einer Schraubmutter 120a auf, wobei jeder Aufnahmeraum 110 einer Stromschiene 12 einer anderen Phase u, v, w zugeordnet ist. Der Figur ist auch gut entnehmbar, dass der Aufnahmeraum 110 der Aufnahme 121 topfartig und mit einem geschlossenen Boden ausgebildet ist, derart, dass ein in die Schraubmutter 120a eingeschraubtes Schraubenelement 120b bodenseitig im Aufnahmeraum 110 der Aufnahme 121 elektrisch isoliert ist.
-
In allen gezeigten Ausführungsformen der Erfindung ist die Schraubmutter 120a dabei nicht starr in der Stromschiene 12 einpresst oder mit dieser verschweißt, sondern in einem Aufnahmeraum 110 einer separaten, als Kunststoffteil ausgebildeten Aufnahme 121 frei beweglich gelagert. Dieses Kunststoffteil ist mit der Stromschiene 12 formschlüssig oder kraftschlüssig oder kraftformschlüssig verbindbar oder mit einem Teil des Gehäuses 10 des Verschaltungsrings 1 verbindbar. Da die Schraubmutter 120a sich stets innerhalb des Aufnahmeraums 110, in alle Richtungen (X, Y, und Z) bewegen kann, ist es möglich verschiedene Formfehler, Montagetoleranzen etc. auszugleichen. Die Form des Kopfes der Schraubmutter 120a ist so ausgelegt, dass durch seine insbesondere polygone Form eine Abstützung am Kunststoffkörper erfolgen kann. Dies dient dazu, das Drehmoment beim Anziehvorgang abzustützen. In der mittleren Abbildung in 3 ist dies exemplarisch dargestellt.
-
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verschaltungsring
- 2
- Stator
- 10
- Gehäuse
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Stromschiene
- 120
- Schraubverbindung
- 120a
- Schraubmutter
- 120b
- Schraubelement
- 121
- Aufnahme
- 121a
- Befestigungsarm
- 121b
- Rastmittel
- 122
- Durchgangsöffnung
- 100
- Stromschienenanschlussbereich
- 110
- Aufnahmeraum
-
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
-
- DE 102018119831 A1 [0005]
- US 2019/0372422 A1 [0006]
